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10 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
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12 %% remove the % from the second line of the style you would like to use.
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100
101
102
103
104 \begin{document}
105
106 \begin{frontmatter}
107
108
109
110 \title{Optimizing the Energy Consumption \\ 
111 of Message Passing Applications with Iterations \\ 
112 Executed over Grids} 
113   
114
115
116
117 \author{Ahmed Fanfakh,
118         Jean-Claude Charr,
119         Raphaël Couturier,
120         and Arnaud Giersch}
121
122 \address{FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comté\\
123     IUT de Belfort-Montbéliard,
124     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
125     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
126     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
127     Email: \email{{ahmed.fanfakh_badri_muslim,jean-claude.charr,raphael.couturier,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
128    }
129
130 \begin{abstract}
131
132   In recent years, green computing   has  become an important topic 
133   in the supercomputing research domain. However, the 
134   computing platforms are still  consuming more and
135 more energy due to the increasing number of nodes composing
136 them. To minimize the operating costs of these platforms many
137 techniques have been used. Dynamic voltage and frequency
138 scaling (DVFS) is one of them. It can be used to reduce the power consumption of the CPU 
139   while computing, by lowering its frequency. However, lowering the frequency of 
140   a CPU may increase the execution time of an application running on that 
141   processor. Therefore, the frequency that gives the best trade-off between 
142   the energy consumption and the performance of an application must be selected. 
143   In this paper, a new online frequency selecting algorithm for grids, composed of heterogeneous clusters, is presented.  
144   It selects the frequencies and tries to give the best
145   trade-off between energy saving and performance degradation, for each node
146   computing the message passing  application with iterations. 
147   The algorithm has a small
148   overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model
149   for message passing  applications with iterations running on a  grid. 
150   The proposed algorithm is evaluated on a real grid, the Grid'5000 platform, while
151   running the NAS parallel benchmarks.  The experiments on 16 nodes, distributed on three clusters, show that it reduces  on average the
152   energy consumption  by \np[\%]{30} while  the performance  is on average only degraded
153    by \np[\%]{3.2}. Finally, the algorithm is 
154   compared to an existing method. The comparison results show that it outperforms the
155   latter in terms of energy consumption reduction and performance.
156 \end{abstract}
157
158
159 \begin{keyword}
160
161 Dynamic voltage and frequency scaling \sep Grid computing\sep Green computing and  frequency scaling online algorithm.
162
163 %% keywords here, in the form: keyword \sep keyword
164
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166 %% or \MSC[2008] code \sep code (2000 is the default)
167
168 \end{keyword}
169
170 \end{frontmatter}
171
172
173
174 \section{Introduction}
175 \label{sec.intro}
176 The need for more computing power is continually increasing. To partially
177 satisfy this need, most supercomputers constructors just put more computing
178 nodes in their platform. The resulting platforms may achieve higher floating
179 point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat
180 dissipation are also increased.  As an example, the Chinese supercomputer
181 Tianhe-2 had the highest FLOPS in June 2015  according to the Top500 list
182 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the most power hungry
183 platform with its over 3 million cores consuming around 17.8 megawatts.
184 Moreover, according to the U.S.  annual energy outlook 2015
185 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2015}, the price of energy for 1 megawatt-hour
186 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
187 the Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 million each year.  The
188 computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number
189 of FLOPS per watt possible, such as the Shoubu-ExaScaler from RIKEN
190 which became the top of the Green500 list in June 2015 \cite{Green500_List}.
191 This heterogeneous platform executes more than 7 GFlops per watt while consuming
192 50.32 kilowatts.
193
194 Besides platform improvements, there are many software and hardware techniques
195 to lower the energy consumption of these platforms, such as DVFS, scheduling and other techniques.
196  DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
197 processor by lowering its frequency
198 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
199 the number of FLOPS executed by the processor which may increase the execution
200 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
201 different optimization strategies to select the frequency that gives the best
202 trade-off between the energy reduction and performance degradation ratio. In
203 \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015}, a frequency selecting algorithm
204 was proposed to reduce the energy consumption of message passing 
205 applications with iterations running over homogeneous and heterogeneous clusters respectively.
206 The results of the experiments showed significant energy consumption
207 reductions. All the experimental results were conducted over the SimGrid
208 simulator \cite{SimGrid}, which offers easy tools to describe homogeneous and heterogeneous  platforms, and to simulate the execution of message passing parallel
209 applications over them. 
210
211
212 This paper presents the following contributions :
213 \begin{enumerate}
214 \item two new energy and performance models for message passing 
215   synchronous applications with iterations running over a heterogeneous grid platform. Both models
216   take into account communications and slack times. The models can predict the
217   required energy and the execution time of the application.
218
219 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous grid
220   platforms. The algorithm has a very small overhead and does not need any
221   training nor profiling. It uses a new optimization function which
222   simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption
223   of a message passing  synchronous application with iterations.  The algorithm  was applied to the NAS
224 parallel benchmarks and evaluated over a real testbed, the Grid'5000 platform
225 \cite{grid5000}.
226
227 \end{enumerate}
228
229
230
231 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
232 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
233 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents
234 an energy model that predicts the energy consumption of an application running
235 over a grid platform. Section~\ref{sec.compet} presents the
236 energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
237 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
238 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequencies selecting algorithm.
239 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on the 
240 NAS parallel benchmarks and executing them on the Grid'5000 testbed. 
241 It also evaluates the algorithm over multi-core per node architectures and over three different power scenarios. Moreover, it shows the
242 comparison results between the proposed method and an existing method.  Finally,
243 in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
244
245 \section{Related works}
246 \label{sec.relwork}
247
248 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
249 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
250 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
251 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and may
252 degrade the performance of the application running on that processor, especially
253 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
254 processor to satisfy some objectives, while taking into account all the
255 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
256 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
257 compute the new frequency while executing the application, such
258 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
259 Others used offline methods that may need to run the application and profile
260 it before selecting the new frequency, such
261 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
262 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
263 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
264 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
265 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
266 platform, synchronous or asynchronous application.
267
268 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message passing
269  synchronous applications with iterations running over heterogeneous grid platforms.  Some
270 works have already been done for such platforms and they can be classified into
271 two types of heterogeneous platforms:
272 \begin{itemize}
273 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
274 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
275 \end{itemize}
276
277 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
278 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
279 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
280 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
281 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
282 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
283 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
284 al. developed a scheduling algorithm that distributes workload proportional to
285 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
286 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
287 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
288 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
289 composed of CPUs.
290
291 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
292 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
293 consumption of this type of platform.  Naveen et
294 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
295 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
296 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
297 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster.
298 Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an
299 algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and non
300 critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
301 proportionally to their slack and communication times while limiting the
302 performance degradation percentage to less than \np[\%]{10}.
303 In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
304 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
305 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
306 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
307 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
308 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
309 some heuristic.  Chen et
310 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
311 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
312 while respecting given time constraints.  This approach had considerable
313 overhead.
314
315
316
317 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous grid architecture}
318 \label{sec.exe}
319
320 \subsection{The execution time of message passing distributed 
321   applications with iterations on a heterogeneous platform}
322
323 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
324 passing distributed  synchronous applications with iterations running over
325 heterogeneous grid platforms. A heterogeneous grid platform could be defined as a collection of
326 heterogeneous computing clusters interconnected via a long distance network which has lower bandwidth 
327 and higher latency than the local networks of the clusters. Each computing cluster in the grid is composed of homogeneous nodes that are connected together via high speed network. Therefore, each cluster has different characteristics such as computing power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, network bandwidth and latency.
328
329 The overall execution time of a distributed  synchronous application  with iterations running 
330 over a heterogeneous grid consists of the sum of the computation time and 
331 the communication time for every iteration on a node. 
332 However, nodes from distinct clusters in a grid have different computing powers, thus
333 while the application, fast nodes
334 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
335 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
336 periods are called idle or slack times. 
337 Therefore, the
338 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task 
339 which has the highest computation time and almost no slack time. For example, in Figure \ref{fig:heter}, task 1 is the slower task and it does not have to wait for the other nodes to communicate with them because they all finish their computations before it.  
340
341 \begin{figure}[!t]
342   \centering
343   \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
344   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
345   \label{fig:heter}
346 \end{figure}
347
348 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in
349 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling
350 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU
351 and consequently its computing power, the execution time of a program running
352 over that scaled down processor may increase, especially if the program is
353 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling
354 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU
355 as in (\ref{eq:s}).
356 \begin{equation}
357   \label{eq:s}
358   S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
359 \end{equation}
360 where $\Fmax$ is the maximum frequency before applying any DVFS and $\Fnew$  is the new frequency after applying DVFS.
361
362 The execution time of a compute bound sequential program is linearly
363 proportional to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand, message
364 passing distributed applications consist of two parts: computation and
365 communication.  The execution time of the computation part is linearly
366 proportional to the frequency scaling factor $S$ but the communication time is
367 not affected by the scaling factor because the processors involved remain idle
368 during the communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  The
369 communication time for a task is the summation of periods of time that begin
370 with an MPI call for sending or receiving a message until the message is
371 synchronously sent or received.
372
373 Since in a heterogeneous grid each cluster has different characteristics,
374 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on the nodes 
375 of these clusters, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
376 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM_i})$ where $S_{ij}$ is the scaling factor of processor $j$ in cluster $i$ . To
377 be able to predict the execution time of message passing synchronous 
378 applications with iterations running over a heterogeneous grid, for different vectors of
379 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
380 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
381 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
382 vector of scaling factors can be predicted using Equation (\ref{eq:perf}).
383 %
384 \begin{equation}
385   \label{eq:perf}
386   \Tnew = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M_i}({\TcpOld[ij]} \cdot S_{ij}) 
387   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M_h}}  (\Tcm[hj])
388 \end{equation}
389 %
390 where $N$ is the number of  clusters in the grid, $M_i$ is the number of  nodes in
391  cluster $i$, $\TcpOld[ij]$ is the computation time of processor $j$ in the cluster $i$ 
392 and $\Tcm[hj]$ is the communication time of processor $j$ in the cluster $h$ during the 
393 first  iteration.  The execution time for one iteration is equal to the sum of the maximum computation time for all nodes with the new scaling factors
394 and the  communication time of the slowest node without slack time during one iteration.
395  The slowest node $h$ is the node which takes the  maximum execution time to execute an iteration  before scaling down its  frequency.
396 It means that only the communication time without any slack time is taken into account.
397 Therefore, the execution time of the  application is equal to
398 the execution time of one iteration as in Equation (\ref{eq:perf}) multiplied by the
399 number of iterations of that application.
400
401 This model is an adaptation of the one developed in ~\cite{Our_first_paper}  which predicts the execution time
402 of message passing  applications with iterations running on homogeneous clusters. 
403 In a  homogeneous cluster only one scaling factor denoted as $S$ was used because all the nodes in the cluster have the same computing power.
404 In a heterogeneous cluster, each node may have a different scaling factor denoted as  $(S_i)$ where $i$ is the index of the node. In a grid, each node in each cluster may have a scaling factor. The whole set of scaling factors of all the computing nodes in the grid  is denoted by a two dimensional array of scales  
405 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM_i})$ where $N$ is the number of used clusters and $M_i$ is the number of nodes in cluster $i$.  
406
407 The execution time model, Equation \ref{eq:perf}, is used in the algorithm presented in section \ref{sec.optim}. The latter selects the scaling factors that optimize both the energy consumption and the performance of message passing applications with iterations running on grids.
408
409
410 \subsection{Energy model for heterogeneous grid platform}
411
412 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
413   Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
414   Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by
415 a processor into two power metrics: the static and the dynamic power.  While the
416 first one is consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is
417 only consumed during computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to
418 the switching activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$
419 and operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
420 \begin{equation}
421   \label{eq:pd}
422   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
423 \end{equation}
424 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
425 \begin{equation}
426   \label{eq:ps}
427    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
428 \end{equation}
429 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
430 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
431 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
432 to execute a given program can be computed as:
433 \begin{equation}
434   \label{eq:eind}
435   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
436 \end{equation}
437 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
438 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
439 communication and no slack time.
440
441 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy
442 consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  The operational
443 frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot
444 F$ with some constant $\beta$. This equation is used to study the change of the
445 dynamic voltage with respect to various frequency values
446 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction process of the
447 frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the ratio between
448 the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).  The CPU governors are
449 power schemes supplied by the operating system's kernel to lower a core's
450 frequency. The new frequency $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as
451 follows:
452 \begin{equation}
453   \label{eq:fnew}
454    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
455 \end{equation}
456 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following
457 equation for dynamic power consumption:
458 \begin{multline}
459   \label{eq:pdnew}
460    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
461    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
462 \end{multline}
463 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the
464 new frequency and the maximum frequency respectively.
465
466 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
467 $S^{-3}$ when reducing the frequency by a factor of
468 $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is
469 proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased
470 proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the dynamic power multiplied
471 by the new time of computation and is given by the following equation:
472 \begin{equation}
473   \label{eq:Edyn}
474    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp
475 \end{equation}
476 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed
477 during computation and even when idle. As
478 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy, Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling},
479 the static power of a processor is considered as constant during idle and
480 computation periods, and for all its available frequencies.  The static energy
481 is the static power multiplied by the execution time of the program.  According
482 to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the
483 program is the sum of the computation and the communication times. The
484 computation time is linearly related to the frequency scaling factor, while this
485 scaling factor does not affect the communication time.  The static energy of a
486 processor after scaling its frequency is computed as follows:
487 \begin{equation}
488   \label{eq:Estatic}
489   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
490 \end{equation}
491
492 In the considered heterogeneous grid platform, each node $j$ in cluster $i$ may have
493 different dynamic and static powers from the nodes of the other clusters, 
494 noted as $\Pd[ij]$ and $\Ps[ij]$ respectively.  Moreover, even if the distributed 
495 message passing  application with iterations is load balanced, the computation time of each CPU $j$ in cluster $i$
496  noted $\Tcp[ij]$ may be slightly different due to the delay caused by the scheduler of the operating system. Therefore, different frequency scaling factors may be
497 computed in order to decrease the overall energy consumption of the application
498 and reduce the slack times.  The communication time of a processor $j$ in cluster $i$ is noted as
499 $\Tcm[ij]$ and could contain slack times when communicating with slower nodes,
500 see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore, all nodes do not have equal
501 communication times. While the dynamic energy is computed according to the
502 frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in
503 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time
504 of one iteration multiplied by the static power of each processor. 
505  The CPU during the communication times consumes only the static power. While 
506 in the computation times, it consumes both the dynamic and the static powers, for more information refer to \cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.
507 The overall energy consumption of a message passing distributed application executed over a
508 heterogeneous grid platform during one iteration is the summation of all dynamic and
509 static energies for $M_i$ processors in $N$ clusters.  It is computed as follows:
510 \begin{multline}
511   \label{eq:energy}
512  E = \sum_{i=1}^{N} \sum_{i=1}^{M_i} {(S_{ij}^{-2} \cdot \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])} +  
513  \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M_i} (\Ps[ij] \cdot {} \\
514   (\mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M_i}({\Tcp[ij]} \cdot S_{ij}) 
515   +\mathop{\min_{j=1,\dots M_i}} (\Tcm[hj]) ))
516 \end{multline}
517
518
519 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of scaling
520 factors $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM_i})$ may degrade the performance of the application
521 and thus, increase the static energy because the execution time is
522 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption
523 for a synchronous  application with iterations can be measured by measuring the energy
524 consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) multiplied by the number
525 of iterations of that application.
526
527 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
528 \label{sec.compet}
529
530 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
531 energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic
532 power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its
533 computation power is proportionally decreased. Hence, the execution time might
534 be drastically increased and during that time, dynamic and static powers are
535 being consumed.  Therefore, it might cancel any gains achieved by scaling down
536 the frequency of all nodes to the minimum and the overall energy consumption of
537 the application might not be the optimal one.  It is not trivial to select the
538 appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the
539 characteristics of each processor (computation power, range of frequencies,
540 dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication
541 ratio). The aim being to reduce the overall energy consumption and to avoid
542 increasing significantly the execution time.
543 In our previous
544 works, \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015}, two methods that select the optimal
545 frequency scaling factors for a homogeneous and a heterogeneous cluster respectively, were proposed. 
546 Both methods selects the frequencies that gives the best trade-off between 
547 energy consumption reduction and performance for  message passing
548  synchronous applications with iterations.   In this work we
549 are interested in grids that are composed of heterogeneous clusters. The nodes from distinct clusters may have 
550  different characteristics such  as  dynamic power, static power, computation power, 
551 frequencies range, network latency and bandwidth. 
552 Due to the heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should be selected
553 and it must give the best trade-off between energy consumption and performance.
554
555 The relation between the energy consumption and the execution time for an
556 application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the
557 execution time and the scaling factor, the relation between the energy and the
558 frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer
559 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  Moreover, these relations
560 are not measured using the same metric.  To solve this problem, the execution
561 time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after
562 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with
563 maximum frequency for all nodes) as follows:
564 %
565 \begin{equation}
566   \label{eq:pnorm}
567   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}                 
568 \end{equation}
569 %
570 where $Tnew$ is computed as in (\ref{eq:perf}) and $Told$ is computed as in (\ref{eq:told}).
571
572 \begin{equation}
573   \label{eq:told}
574    \Told = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M_i}({\TcpOld[ij]} ) 
575   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M_h}}  (\Tcm[hj])    
576 \end{equation}
577
578 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the
579 consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with
580 maximum frequency for all  nodes:
581 %
582 \begin{equation}
583   \label{eq:enorm}
584   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} 
585 \end{equation}
586 %
587 where $\Ereduced$  is computed using (\ref{eq:energy}) and $\Eoriginal$ is 
588 computed as in (\ref{eq:eorginal}).
589 %
590 \begin{equation}
591   \label{eq:eorginal}
592     \Eoriginal = \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M_i} ( \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])  + 
593      \mathop{\sum_{i=1}^{N}} \sum_{j=1}^{M_i} (\Ps[ij] \cdot \Told)       
594 \end{equation}
595
596 While the main goal is to optimize the energy and execution time at the same
597 time, the normalized energy and execution time curves do not evolve (increase/decrease) in the same way. 
598 According to (\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the
599 vector of frequency scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduces both the energy
600 and the execution time,  but the main objective is to produce
601 maximum energy reduction with minimum execution time reduction.
602
603 This problem can be solved by making the optimization process for energy and
604 execution time follow the same evolution according to the vector of scaling factors
605 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$. Therefore, the equation of the
606 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance
607 equation, as follows:
608 \begin{equation}
609   \label{eq:pnorm_inv}
610   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}          
611 \end{equation}
612
613 \begin{figure}
614   \centering
615   \subfloat[Homogeneous cluster]{%
616     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}} \hspace{0.4cm}%
617   \subfloat[Heterogeneous grid]{%
618     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
619   \label{fig:rel}
620   \caption{The energy and performance relation}
621 \end{figure}
622
623 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
624 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
625 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
626 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
627 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} and
628 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
629 \begin{equation}
630   \label{eq:max}
631   \MaxDist =
632 \mathop{  \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M_i}}_{k=1,\dots,F_j}
633       (\overbrace{\Pnorm(S_{ijk})}^{\text{Maximize}} -
634        \overbrace{\Enorm(S_{ijk})}^{\text{Minimize}} )
635 \end{equation}
636 where $N$ is the number of clusters, $M_i$ is the number of nodes in the cluster $i$ and
637 $F_j$ is the number of available frequencies in the node $j$.  Then, the optimal set 
638 of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
639 The objective function can work with any energy model or any power 
640 values for each node (static and dynamic powers). However, the most important 
641 energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown 
642 in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
643
644 \section{The scaling factors selection algorithm for  grids }
645 \label{sec.optim}
646
647 \begin{algorithm}
648 \setstretch{1}
649   \begin{algorithmic}[1]
650     % \footnotesize
651     
652     \Require ~
653     \begin{description}
654     \item [{$N$}] number of clusters in the grid. 
655     \item [{$M_i$}] number of nodes in each cluster.
656     \item[{$\Tcp[ij]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
657     \item[{$\Tcm[ij]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
658     \item[{$\Fmax[ij]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
659     \item[{$\Pd[ij]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
660     \item[{$\Ps[ij]$}] array of the static powers for all nodes.
661     \item[{$\Fdiff[ij]$}] array of the differences between two successive frequencies for all nodes.
662     \end{description}
663     \Ensure $\Sopt[11],\Sopt[12] \dots, \Sopt[NM_i]$,  a vector of scaling factors that gives the optimal trade-off between energy consumption and execution time
664
665     \State $\Scp[ij] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\max_{j=1,2,\dots,M_i}(\Tcp[ij]))}{\Tcp[ij]} $
666     \State $F_{ij} \gets  \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N},~{j=1,2,\dots,M_i}.$
667     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest  available frequency for each node.
668     \If{(not the first frequency)}
669           \State $F_{ij} \gets F_{ij}+\Fdiff[ij],~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}.$
670     \EndIf
671     \State $\Told \gets $ computed as in Equation \ref{eq:told}.
672     \State $\Eoriginal \gets $ computed as in Equation \ref{eq:eorginal}.
673     \State $\Sopt[ij] \gets 1,~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}. $
674     \State $\Dist \gets 0 $
675     \While {(all nodes have not reached their  minimum   \newline\hspace*{2.5em} frequency \textbf{or}  $\Pnorm - \Enorm < 0 $)}
676         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
677         \State $F_{ij} \gets F_{ij} - \Fdiff[ij],~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}$.
678         \State $S_{ij} \gets \frac{\Fmax[ij]}{F_{ij}},~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}.$
679         \EndIf
680        \State $\Tnew \gets $ computed as  in Equation \ref{eq:perf}. 
681        \State $\Ereduced \gets $ computed as  in Equation \ref{eq:energy}. 
682        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$,  $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
683       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
684         \State $\Sopt[ij] \gets S_{ij},~i=1,\dots,N,~j=1,\dots,M_i. $
685         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
686       \EndIf
687     \EndWhile
688     \State  Return $\Sopt[11],\Sopt[12],\dots,\Sopt[NM_i]$
689   \end{algorithmic}
690   \caption{Scaling factors selection algorithm}
691   \label{HSA}
692 \end{algorithm}
693
694 \begin{algorithm}
695   \begin{algorithmic}[1]
696     % \footnotesize
697     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
698       \State Computations section.
699       \State Communications section.
700       \If {$(k=1)$}
701         \State Gather all times of computation and communication from each node.
702         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
703         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
704                returned optimal scaling factors.
705         \State Set the new frequencies to nodes.
706       \EndIf
707     \EndFor
708   \end{algorithmic}
709   \caption{DVFS algorithm}
710   \label{dvfs}
711 \end{algorithm}
712
713
714 In this section, the scaling factors selection algorithm for  grids, Algorithm~\ref{HSA}, 
715 is presented. It selects the vector of  frequency
716 scaling factors  that gives the best trade-off between minimizing the
717 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
718 synchronous  application with iterations executed on a  grid. It works
719 online during the execution time of the  application.  It
720 uses information gathered during the first iteration such as the computation
721 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
722 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
723 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
724 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
725 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
726 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
727 scaling algorithm is called in the application.
728
729 \begin{figure}[!t]
730   \centering
731   \includegraphics[scale=0.6]{fig/init_freq}
732   \caption{Selecting the initial frequencies in a grid platform}
733   \label{fig:st_freq}
734 \end{figure}
735
736
737
738 The algorithm takes into account this
739 problem and tries to reduce these slack times when selecting the vector of the frequency
740 scaling factors. At first, it selects initial frequency scaling factors
741 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
742 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
743 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
744 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
745 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
746 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
747 \begin{equation}
748   \label{eq:Scp}
749   \Scp[ij] =  \frac{ \mathop{\max\limits_{i=1,\dots N}}\limits_{j=1,\dots,M_i}(\Tcp[ij])} {\Tcp[ij]}
750 \end{equation}
751 Using the initial frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the
752 algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the
753 maximum frequency of node and its computed scaling factor as
754 follows:
755 \begin{equation}
756   \label{eq:Fint}
757   F_{ij} = \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[ij]},~{i=1,2,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}
758 \end{equation}
759 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
760 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
761 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing powers in
762 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
763 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
764 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
765 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
766 optimal vector of frequencies because selecting higher frequencies
767 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
768 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
769 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
770 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
771 frequencies until reaching the nodes' minimum frequencies or lower bounds. A node's frequency is considered its lower bound if the computed distance between the energy and performance at this frequency is less than zero.
772 A negative distance means that the performance degradation ratio is higher than the energy saving ratio.
773 In this situation, the algorithm must stop the downward search because it has reached the lower bound and it is useless to test the lower frequencies. Indeed, they will all give worse distances. 
774
775 Therefore, the algorithm iterates on all remaining frequencies, from the higher
776 bound until all nodes reach their minimum frequencies or their lower bounds, to compute the overall
777 energy consumption and performance and selects the optimal vector of the frequency scaling
778 factors. At each iteration the algorithm determines the slowest node
779 according to Equation~\ref{eq:perf} and keeps its frequency unchanged,
780 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
781 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
782 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
783 highest distance according to the objective function~\ref{eq:max}.
784
785 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2} illustrate the normalized performance and
786 consumed energy for an application running on a homogeneous cluster and a
787  grid platform respectively while increasing the scaling factors. It can
788 be noticed that in a homogeneous cluster the search for the optimal scaling
789 factor should start from the maximum frequency because the performance and the
790 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand, in
791 the  grid platform the performance is maintained at the beginning of the
792 plot even if the frequencies of the faster nodes decrease until the computing
793 power of scaled down nodes are lower than the slowest node. It can also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger the maximum distance between the energy curve and the performance curve is, which results in bigger energy savings. 
794
795
796 \section{Experimental results}
797 \label{sec.expe}
798 While in~\cite{pdsec2015} the energy  model and the scaling factors selection algorithm were applied to a heterogeneous cluster and  evaluated over the SimGrid simulator~\cite{SimGrid}, 
799 in this paper real experiments were conducted over the Grid'5000 platform. 
800
801 \subsection{Grid'5000 architecture and power consumption}
802 \label{sec.grid5000}
803 Grid'5000~\cite{grid5000} is a large-scale testbed that consists of ten sites distributed all over  metropolitan France and Luxembourg. All the sites are connected together via a special long distance network called RENATER,
804 which is the French National Telecommunication Network for Technology.
805 Each site of the grid is composed of a few heterogeneous 
806 computing clusters and each cluster contains many homogeneous nodes. In total,
807 Grid'5000 has about  one thousand heterogeneous nodes and eight thousand cores.  In each site,
808 the clusters and their nodes are connected via  high speed local area networks. 
809 Two types of local networks are used, Ethernet or Infiniband networks which have  different characteristics in terms of bandwidth and latency.  
810
811 Since Grid'5000 is dedicated to  testing, contrary to production grids it allows a user to deploy its own customized operating system on all the booked nodes. The user could have root rights and thus apply DVFS operations while executing a distributed application. Moreover, the Grid'5000 testbed provides at some sites a power measurement tool to capture 
812 the power consumption  for each node in those sites. The measured power is the overall consumed power  by all the components of a node at a given instant. For more details refer to
813 \cite{Energy_measurement}. In order to correctly measure the CPU power of one core in a node $j$, 
814  firstly,  the power consumed by the node while being idle at instant $y$, noted as $\Pidle[jy]$, was measured. Then, the power was measured while running a single thread benchmark with no communication (no idle time) over the same node with its CPU scaled to the maximum available frequency. The latter power measured at time $x$ with maximum frequency for one core of node $j$ is noted $\Pmax[jx]$. The difference between the two measured power consumptions represents the 
815 dynamic power consumption of that core with the maximum frequency, see  Figure~\ref{fig:power_cons}. 
816
817
818 The dynamic power $\Pd[j]$ is computed as in Equation~\ref{eq:pdyn}
819 \begin{equation}
820   \label{eq:pdyn}
821     \Pd[j] = \max_{x=\beta_1,\dots \beta_2} (\Pmax[jx])  -  \min_{y=\Theta_1,\dots \Theta_2} (\Pidle[jy])
822 \end{equation}
823
824 where $\Pd[j]$ is the dynamic power consumption for one core of node $j$, 
825 $\lbrace \beta_1,\beta_2 \rbrace$ is the time interval for the measured maximum power values, 
826 $\lbrace\Theta_1,\Theta_2\rbrace$ is the time interval for the measured  idle power values.
827 Therefore, the dynamic power of one core is computed as the difference between the maximum 
828 measured value in maximum powers vector and the minimum measured value in the idle powers vector.
829
830 On the other hand, the static power consumption by one core is a part of the measured idle power consumption of the node. Since in Grid'5000 there is no way to measure precisely the consumed static power and in~\cite{Our_first_paper,pdsec2015,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy} it was assumed that  the static power  represents a ratio of the dynamic power, the value of the static power is assumed as  20\% of dynamic power consumption of the core.
831
832 In the experiments presented in the following sections, two sites of Grid'5000 were used, Lyon and Nancy sites. These two sites have in total seven different clusters as shown on Figure~\ref{fig:grid5000}.
833
834 Four clusters from the two sites were selected in the experiments: one cluster from 
835 Lyon's site, Taurus, and three clusters from Nancy's site, Graphene, 
836 Griffon and Graphite. Each one of these clusters has homogeneous nodes inside, while nodes from different clusters are heterogeneous in many aspects such as: computing power, power consumption, available 
837 frequency ranges and local network features: the bandwidth and the latency.  Table~\ref{table:grid5000} shows 
838 the detailed characteristics of these four clusters. Moreover, the dynamic powers were computed  using Equation~\ref{eq:pdyn} for all the nodes in the 
839 selected clusters and are presented in Table~\ref{table:grid5000}.
840
841
842 \begin{figure}[!t]
843   \centering
844   \includegraphics[scale=1]{fig/grid5000}
845   \caption{The selected two sites of Grid'5000}
846   \label{fig:grid5000}
847 \end{figure}
848 \begin{figure}[!t]
849   \centering
850   \includegraphics[scale=0.6]{fig/power_consumption.pdf}
851   \caption{The power consumption by one core from the Taurus cluster}
852   \label{fig:power_cons}
853 \end{figure}
854
855
856 The energy model and the scaling factors selection algorithm were applied to the NAS parallel benchmarks v3.3 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks} and evaluated over Grid'5000.
857 The benchmark suite contains seven applications: CG, MG, EP, LU, BT, SP and FT. These benchmarks are considered as message passing  applications with iterations because the same block of operations is executed many times.
858  These applications have different computations and communications ratios and strategies which make them good testbed applications to evaluate the proposed algorithm and energy model.
859 The benchmarks have seven different classes, S, W, A, B, C, D and E, that represent the size of the problem that the method solves. In the next sections, the  class D was used for all the benchmarks in all the experiments. 
860
861
862   
863 \begin{table}[!t]
864   \caption{The characteristics of the CPUs in the selected clusters}
865   % title of Table
866   \centering
867   \begin{tabular}{|*{7}{c|}}
868     \hline
869                 &             & Max   & Min   & Diff. &                 &               \\
870     Cluster     & CPU         & Freq. & Freq. & Freq. & Cores           & Dynamic power \\
871     Name        & model       & GHz   & GHz   & GHz   & per CPU         & of one core   \\
872     \hline
873                 & Intel       &       &       &         &           &              \\
874     Taurus      & Xeon        & 2.3   & 1.2   & 0.1     & 6         & \np[W]{35}    \\
875                 & E5-2630     &       &       &         &           &            \\         
876     \hline
877                 & Intel       &       &       &         &           &             \\
878     Graphene    & Xeon        & 2.53  & 1.2   & 0.133   & 4         & \np[W]{23}  \\
879                 & X3440       &       &       &         &           &             \\    
880     \hline
881                 & Intel       &       &       &         &           &            \\
882     Griffon     & Xeon        & 2.5   & 2     & 0.5     & 4         & \np[W]{46}  \\
883                 & L5420       &       &       &         &           &            \\  
884     \hline
885                 & Intel       &       &       &         &           &            \\
886      Graphite   & Xeon        & 2     & 1.2   & 0.1     & 8         & \np[W]{35} \\
887                 & E5-2650     &       &       &         &           &            \\  
888     \hline
889   \end{tabular}
890   \label{table:grid5000}
891 \end{table} 
892
893
894
895 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
896 \label{sec.res}
897 In this section, the results of the application of the scaling factors selection algorithm \ref{HSA} 
898 to the NAS parallel benchmarks are presented. Each experiment  has been executed many times and the results presented in the figures are the average values of many executions. As mentioned previously, the experiments 
899 were conducted over two sites of Grid'5000,  Lyon and Nancy sites. 
900 Two scenarios were considered while selecting the clusters from these two sites :
901 \begin{itemize}
902 \item In the first scenario, nodes from two sites and three heterogeneous clusters were selected. The two sites are connected 
903  via a long distance network.
904 \item In the second scenario nodes from three clusters located in one site, Nancy site, were selected.  
905 \end{itemize}
906
907 The main reason 
908 for using these two scenarios is to evaluate the influence of long distance communications (higher latency) on the performance of the 
909 scaling factors selection algorithm. Indeed, in the first scenario the computations to communications ratio 
910 is very low due to the higher communication times which reduces the effect of the DVFS operations.
911
912 The NAS parallel benchmarks are executed over 
913 16 and 32 nodes for each scenario. The number of participating computing nodes from each cluster 
914 is different because all the selected clusters do not have the same available number of nodes and all benchmarks do not require the same number of computing nodes.
915 Table~\ref{tab:sc} shows the number of nodes used from each cluster for each scenario. 
916
917 \begin{table}[h]
918
919 \caption{The different grid scenarios}
920 \centering
921 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
922 \hline
923 \multirow{2}{*}{Scenario name}        & \multicolumn{3}{c|} {The participating clusters} \\ \cline{2-4} 
924                                       & Cluster & Site           & Nodes per cluster     \\ 
925 \hline
926 \multirow{3}{*}{Two sites / 16 nodes} & Taurus & Lyon                & 5                      \\ \cline{2-4} 
927                                       & Graphene  & Nancy             & 5                      \\ \cline{2-4} 
928                                       & Griffon       & Nancy        & 6                      \\ 
929 \hline
930 \multirow{3}{*}{Two sites / 32 nodes} & Taurus  & Lyon               & 10                     \\ \cline{2-4} 
931                                       & Graphene  & Nancy             & 10                     \\ \cline{2-4} 
932                                       & Griffon     &Nancy           & 12                     \\ 
933 \hline
934 \multirow{3}{*}{One site / 16 nodes}  & Graphite    & Nancy            & 4                      \\ \cline{2-4} 
935                                       & Graphene     & Nancy           & 6                      \\ \cline{2-4} 
936                                       & Griffon         & Nancy        & 6                      \\ 
937 \hline
938 \multirow{3}{*}{One site / 32 nodes}  & Graphite   & Nancy             & 4                      \\ \cline{2-4} 
939                                       & Graphene      & Nancy          & 14                     \\ \cline{2-4} 
940                                       & Griffon          & Nancy       & 14                       \\ 
941 \hline
942 \end{tabular}
943  \label{tab:sc}
944 \end{table}
945
946 \begin{figure}
947   \centering
948   \subfloat[The energy consumption by the nodes wile executing the NAS benchmarks over different scenarios    
949            ]{%
950     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_con_scenarios.eps}\label{fig:eng_sen}} \hspace{0.4cm}%
951   \subfloat[The execution times of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
952     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/time_scenarios.eps}\label{fig:time_sen}}
953   \label{fig:exp-time-energy}
954   \caption{The  energy consumption and execution time of NAS  Benchmarks over different scenarios}
955 \end{figure}
956
957 The NAS parallel benchmarks are executed over these two platforms
958  with different number of nodes, as in Table~\ref{tab:sc}. 
959 The overall energy consumption of all the benchmarks solving the class D instance and
960 using the proposed frequency selection algorithm is measured 
961 using the equation of the reduced energy consumption, Equation~\ref{eq:energy}. This model uses the measured dynamic power showed in Table~\ref{table:grid5000}
962 and the static 
963 power is assumed to be equal to 20\% of the dynamic power as in \cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. The execution
964 time is measured for all the benchmarks over these different scenarios.  
965
966 The energy consumptions  and the execution times for all the benchmarks are 
967 presented in Figures~\ref{fig:eng_sen} and \ref{fig:time_sen} respectively.
968
969 For the majority of the benchmarks, the energy consumed while executing  the NAS benchmarks over one site scenario 
970 for  16 and 32 nodes is lower than the energy consumed while using two sites. 
971 The long distance communications between the two distributed sites increase the idle time, which leads to more static energy consumption. 
972
973 The execution times of these benchmarks 
974 over one site with 16 and 32 nodes are also lower than those of the  two sites 
975 scenario. Moreover, most of the benchmarks running over the one site scenario have their execution times  approximately halved  when the number of computing nodes is doubled from 16 to 32 nodes (linear speed up according to the number of the nodes).
976
977 However, the execution times and the energy consumptions of the EP and MG
978 benchmarks, which have no or small communications, are not significantly
979 affected in both scenarios, even when the number of nodes is doubled.  On the
980 other hand, the communication times of the rest of the benchmarks increase when
981 using long distance communications between two sites or when increasing the number of
982 computing nodes.
983
984
985 The energy saving percentage is computed as the ratio between the reduced 
986 energy consumption, Equation~\ref{eq:energy}, and the original energy consumption,
987 Equation~\ref{eq:eorginal}, for all benchmarks as in Figure~\ref{fig:eng_s}. 
988 This figure shows that the energy saving percentages of one site scenario for
989 16 and 32 nodes are bigger than those of the two sites scenario which is due
990 to the higher  computations to communications ratio in the first scenario   
991 than in the second one. Moreover, the frequency selecting algorithm selects smaller frequencies when the computation times are bigger than the communication times which
992 results in  a lower energy consumption. Indeed, the dynamic  consumed power
993 is exponentially related to the CPU's frequency value. On the other hand, the increase in the number of computing nodes can 
994 increase the communication times and thus produces less energy saving depending on the 
995 benchmarks being executed. The results of benchmarks CG, MG, BT and FT show more 
996 energy saving percentage in the one site scenario when executed over 16 nodes than over 32 nodes.  LU and SP consume more energy with 16 nodes than 32 nodes on one site  because their computations to communications ratio is not affected by the increase of the number of local communications. 
997
998 \begin{figure*}[!h]
999   \centering
1000   \subfloat[The energy reduction while executing the NAS benchmarks over different scenarios ]{%
1001     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_s.eps}\label{fig:eng_s}} \hspace{0.4cm}%
1002   \subfloat[The performance degradation of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
1003     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/per_d.eps}\label{fig:per_d}}\hspace{0.4cm}%
1004     \subfloat[The trade-off distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks  
1005       over different scenarios]{%
1006     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/dist.eps}\label{fig:dist}}
1007   \label{fig:exp-res}
1008   \caption{The experimental results of different scenarios}
1009 \end{figure*}
1010
1011
1012
1013 The energy saving percentage is reduced for all the benchmarks because of the long distance communications in the two sites 
1014 scenario, except for the   EP benchmark which has  no communication. Therefore, the energy saving percentage of this benchmark is 
1015 dependent on the maximum difference between the computing powers of the heterogeneous computing nodes, for example 
1016 in the one site scenario, the graphite cluster is selected but in the two sites scenario 
1017 this cluster is replaced with the Taurus cluster which is more powerful. 
1018 Therefore, the energy savings of the EP benchmark are bigger in the two sites scenario due 
1019 to the higher maximum difference between the computing powers of the nodes. 
1020
1021 In fact, high differences between the nodes' computing powers make the proposed frequencies selecting  
1022 algorithm  select smaller frequencies for the powerful nodes which 
1023 produces less energy consumption and thus more energy saving.
1024 The best energy saving percentage was obtained in the one site scenario with 16 nodes, the energy consumption was on average reduced up to 30\%.
1025
1026
1027 Figure \ref{fig:per_d} presents the performance degradation percentages for all benchmarks over the two scenarios.
1028 The performance degradation percentage for the benchmarks running on two sites  with
1029 16 or 32  nodes is on average equal to 8.3\% or 4.7\% respectively. 
1030 For this scenario, the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies for the executions with 32 nodes  without significantly degrading their performance because the communication times are high with 32 nodes which results in smaller  computations to communications ratio.  On the other hand, the performance degradation percentage  for the benchmarks running  on one site  with
1031 16 or 32  nodes is on average equal to 3.2\% and 10.6\% respectively. In contrary to the two sites scenario, when the number of computing nodes is increased in the one site scenario, the performance degradation percentage is increased. Therefore, doubling the number of computing 
1032 nodes when the communications occur in high speed network does not decrease the computations to 
1033 communication ratio. 
1034
1035 The performance degradation percentage of the EP benchmark after applying the scaling factors selection algorithm is the highest in comparison to 
1036 the other benchmarks. Indeed, in the EP benchmark, there are no communication and slack times and its 
1037 performance degradation percentage only depends on the frequencies values selected by the algorithm for the computing nodes.
1038 The rest of the benchmarks showed different performance degradation percentages which decrease
1039 when the communication times increase and vice versa.
1040
1041 Figure \ref{fig:dist} presents the  distance percentage between the energy saving  and the performance degradation for each benchmark  over both  scenarios. The trade-off distance percentage can be 
1042 computed as in Equation~\ref{eq:max}. The one site scenario with 16 nodes gives the best energy and performance 
1043 trade-off, on average it is equal to  26.8\%. The one site scenario using both 16 and 32 nodes had better energy and performance 
1044 trade-off comparing to the two sites scenario  because the former has high speed local communications 
1045 which increase the computations to communications ratio  and the latter uses long distance communications which decrease this ratio. 
1046
1047  Finally, the best energy and performance trade-off depends on all of the following:
1048 1) the computations to communications ratio when there are  communications and slack times, 2) the heterogeneity of the computing powers of the nodes and 3) the heterogeneity of the consumed  static and dynamic powers of the nodes.
1049
1050
1051
1052
1053 \subsection{The experimental results over multi-core clusters}
1054 \label{sec.res-mc}
1055
1056 The  clusters of Grid'5000 have different number of cores embedded in their nodes
1057 as shown in Table~\ref{table:grid5000}. In 
1058 this section, the proposed scaling algorithm is evaluated over the  Grid'5000 platform  while using multi-cores nodes selected according to the one site scenario described in  Section~\ref{sec.res}.
1059 The one site scenario uses  32 cores from multi-core nodes instead of 32 distinct nodes. For example if 
1060 the participating number of cores from a certain cluster is equal to 14, 
1061 in the multi-core scenario  4 nodes are selected and
1062 3 or 4 cores from each node are used. The platforms with one  
1063 core per node and  multi-core nodes are  shown in Table~\ref{table:sen-mc}. 
1064 The energy consumptions and execution times of running the class D of the NAS parallel 
1065 benchmarks over these two different platforms are presented 
1066 in Figures \ref{fig:eng-cons-mc} and \ref{fig:time-mc} respectively.
1067
1068
1069 \begin{table}[!h]
1070 \centering
1071 \caption{The multi-core scenarios}
1072 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
1073 \hline
1074 Scenario name                          & Cluster name & Nodes per cluster & 
1075                                        Cores per node  \\ \hline
1076 \multirow{3}{*}{One core per node}    & Graphite     & 4               & 1                   \\  \cline{2-4}
1077                                        & Graphene     & 14              & 1                   \\  \cline{2-4}
1078                                        & Griffon      & 14              & 1                   \\ \hline
1079 \multirow{3}{*}{Multi-core per node}  & Graphite     & 1               &  4              \\  \cline{2-4}
1080                                        & Graphene     & 4               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1081                                        & Griffon      & 4               & 3 or 4                   \\ \hline
1082 \end{tabular}
1083 \label{table:sen-mc}
1084 \end{table}
1085
1086
1087 \begin{figure}[!h]
1088   \centering
1089   \subfloat[Comparing the  execution times of running the NAS benchmarks over one core and multi-core scenarios]{%
1090     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/time.eps}\label{fig:time-mc}} \hspace{0.4cm}%
1091   \subfloat[Comparing the  energy consumptions of running the NAS benchmarks over one core and multi-core scenarios]{%
1092     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_con.eps}\label{fig:eng-cons-mc}}
1093     \label{fig:eng-cons}
1094   \caption{The energy consumptions and execution times of the  NAS benchmarks running over one core and multi-core per node architectures}
1095 \end{figure}
1096
1097
1098
1099 The execution times for most of  the NAS  benchmarks are higher over the multi-core per node scenario 
1100 than over the single core per node  scenario. Indeed,  
1101  the communication times  are higher in the one site multi-core scenario than in the latter scenario because all the cores of a node  share  the same node network link which can be  saturated when running communication bound applications. Moreover, the cores of a node share the memory bus which can be also saturated and become a bottleneck.    
1102 Moreover, the energy consumptions of the NAS benchmarks are lower over the 
1103  one core scenario  than over the multi-core scenario because 
1104 the first scenario had less execution time than the latter which results in less static energy being consumed.
1105 The computations to communications ratios of the NAS benchmarks are higher over 
1106 the one site one core scenario  when compared to the ratio of the multi-core scenario. 
1107 More energy reduction can be gained when this ratio is big because it pushes the proposed scaling algorithm to select smaller frequencies that decrease the dynamic power consumption. These experiments also showed that the energy 
1108 consumption and the execution times of the EP and MG benchmarks do not change significantly over these two
1109 scenarios  because there are no or small communications. Contrary to EP and MG, the  energy consumptions and the execution times of the rest of the  benchmarks  vary according to the  communication times that are different from one scenario to the other.
1110 \begin{figure*}[t]
1111   \centering
1112     \subfloat[The energy saving of running NAS benchmarks over one core and multicore scenarios]{%
1113     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_s_mc.eps}\label{fig:eng-s-mc}} \hspace{0.4cm}%
1114     \subfloat[The performance degradation of running NAS benchmarks over one core and multi-core scenarios
1115       ]{%
1116     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/per_d_mc.eps}\label{fig:per-d-mc}}\hspace{0.4cm}%
1117     \subfloat[The trade-off distance of running NAS benchmarks over one core and multicore scenarios]{%
1118     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/dist_mc.eps}\label{fig:dist-mc}}
1119   \label{fig:exp-res2}
1120   \caption{The experimental results of one core and multi-core scenarios}
1121 \end{figure*}  
1122   
1123 The energy saving percentages of all the NAS benchmarks running over these two scenarios are presented in Figure~\ref{fig:eng-s-mc}. 
1124 The figure shows that  the energy saving percentages in the one 
1125 core and the multi-core scenarios
1126 are approximately equivalent, on average they are equal to  25.9\% and 25.1\% respectively.
1127 The energy consumption is reduced at the same rate in the two scenarios when compared to the energy consumption of the executions without DVFS. 
1128
1129
1130 The performance degradation percentages of the NAS benchmarks are presented in
1131 Figure~\ref{fig:per-d-mc}. It shows that the performance degradation percentages are higher for the NAS benchmarks executed over the  one core per node scenario  (on average equal to 10.6\%)  than over the  multi-core scenario (on average equal to 7.5\%). The performance degradation percentages over the multi-core scenario are lower because  the computations to communications ratios are smaller than the ratios of the other scenario. 
1132
1133 The trade-off distances percentages of the NAS benchmarks over both scenarios are presented 
1134 in ~Figure~\ref{fig:dist-mc}. These  trade-off distances between energy consumption reduction and performance  are used to verify which scenario is the best in both terms  at the same time. The figure shows that  the  trade-off distance percentages are on average   bigger over the multi-core scenario  (17.6\%) than over the  one core per node scenario  (15.3\%).
1135
1136
1137
1138
1139
1140
1141
1142 \subsection{Experiments with different static power scenarios}
1143 \label{sec.pow_sen}
1144
1145 In Section~\ref{sec.grid5000}, since it was not possible to measure the static power consumed by a CPU,   the static power was assumed to be equal to 20\% of the measured dynamic power. This power is consumed during the whole execution time, during computation and communication times. Therefore, when the DVFS operations are applied by the scaling algorithm and the CPUs' frequencies lowered, the execution time might increase and consequently the consumed static energy will be increased too. 
1146
1147 The aim of  this section is to evaluate the scaling algorithm while assuming different values of static powers. 
1148 In addition to the previously used  percentage of static power, two new static power ratios,  10\% and 30\% of the measured dynamic power of the core, are used in this section.
1149 The experiments have been executed with these two new static power scenarios  over the one site one core per node scenario.
1150 In these experiments, the class D of the NAS parallel benchmarks were executed over the Nancy site. 16 computing nodes from the three clusters, Graphite, Graphene and Griffon, were used in this experiment. 
1151
1152
1153 \begin{figure*}[t]
1154   \centering
1155   \subfloat[The energy saving percentages for the nodes executing the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1156     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/eng_pow.eps}\label{fig:eng-pow}} \hspace{0.4cm}%
1157   \subfloat[The performance degradation percentages for the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1158     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/per_pow.eps}\label{fig:per-pow}}\hspace{0.4cm}%
1159     \subfloat[The trade-off distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1160       
1161     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/dist_pow.eps}\label{fig:dist-pow}}
1162   \label{fig:exp-pow}
1163   \caption{The experimental results of different static power scenarios}
1164 \end{figure*}
1165
1166
1167
1168 \begin{figure}
1169   \centering
1170   \includegraphics[scale=0.5]{fig/three_scenarios.pdf}
1171   \caption{Comparing the selected frequency scaling factors for the MG benchmark over the three static power scenarios}
1172   \label{fig:fre-pow}
1173 \end{figure}
1174
1175 The energy saving percentages of the NAS benchmarks with the three static power scenarios are presented 
1176 in Figure~\ref{fig:eng-pow}. This figure shows that the  10\% of static power scenario 
1177 gives the biggest energy saving percentages in comparison to the 20\% and 30\% static power 
1178 scenarios. The small value of the static power consumption makes the proposed 
1179 scaling algorithm  select smaller frequencies for the CPUs. 
1180 These smaller frequencies reduce the dynamic energy consumption more than increasing the consumed static energy which gives             less overall energy consumption. 
1181 The energy saving percentages of the 30\% static power scenario is the smallest between the other scenarios, because the scaling algorithm selects bigger frequencies for the CPUs which increases the energy consumption. Figure \ref{fig:fre-pow} demonstrates that the proposed scaling algorithm selects   the best frequency scaling factors  according to the static power consumption ratio being used.
1182
1183 The performance degradation percentages are presented in Figure~\ref{fig:per-pow}.
1184 The 30\% static power scenario had less performance degradation percentage  because the scaling algorithm
1185 had  selected big frequencies for the CPUs. While, 
1186 the inverse happens in the 10\% and 20\% scenarios because the scaling algorithm had selected  CPUs' frequencies smaller than those of the 30\% scenario. The trade-off distance percentage for the NAS benchmarks with these three static power scenarios 
1187 are presented in Figure~\ref{fig:dist-pow}. 
1188 It shows that the best  trade-off
1189 distance percentage is obtained with  the  10\% static power scenario  and this percentage 
1190 is decreased for the other two scenarios because the scaling algorithm had selected different frequencies according to the static power values.
1191
1192 In the EP benchmark, the energy saving, performance degradation and trade-off 
1193 distance percentages for these static power scenarios are not significantly different because there is no communication in this benchmark. Therefore, the static power is only consumed during computation and   the proposed scaling algorithm selects similar frequencies for the three scenarios.  On the other hand,  for the rest of the benchmarks,  the scaling algorithm  selects  the values of the frequencies according to the communication times of each benchmark because the static energy consumption increases  proportionally to the  communication times.
1194
1195
1196  
1197 \subsection{Comparison of the proposed frequencies selecting algorithm }
1198 \label{sec.compare_EDP}
1199
1200 Finding the frequencies that give the best trade-off between the energy consumption and the performance for a parallel 
1201 application is not a trivial task.  Many algorithms have been proposed to tackle this problem.  
1202 In this section, the proposed frequencies selecting algorithm is compared to a method that uses the well known  energy and delay product objective function, $EDP=energy \times delay$, that has been used by many researchers  \cite{EDP_for_multi_processors,Energy_aware_application_scheduling,Exploring_Energy_Performance_TradeOffs}. 
1203 This objective function  was also used by Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS} where they select the frequencies that minimize the EDP product and apply them with DVFS operations to  the multi-core 
1204 architecture. Their online algorithm predicts the energy consumption and execution time of a processor before using the EDP method.
1205 \begin{figure*}[t]
1206   \centering
1207   \subfloat[The energy reduction induced by the Maxdist method and the EDP method]{%
1208     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/edp_eng}\label{fig:edp-eng}} \hspace{0.4cm}%
1209     \subfloat[The performance degradation induced by  the Maxdist method and the EDP method]{%
1210     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/edp_per}\label{fig:edp-perf}}\hspace{0.4cm}%
1211     \subfloat[The trade-off distance between the energy consumption reduction and the performance for the Maxdist method and the  EDP method]{%
1212     \includegraphics[width=.48\textwidth]{fig/edp_dist}\label{fig:edp-dist}}
1213   \label{fig:edp-comparison}
1214   \caption{The comparison results}
1215 \end{figure*}
1216 To fairly compare the proposed frequencies scaling algorithm to  Spiliopoulos et al. algorithm, called Maxdist and EDP respectively, both algorithms use the same energy model,  Equation~\ref{eq:energy} and
1217 execution time model, Equation~\ref{eq:perf}, to predict the energy consumption and the execution time for each computing node.
1218 Moreover, both algorithms start the search space from the upper bound computed as in Equation~\ref{eq:Fint}.
1219 Finally, the resulting EDP algorithm is an exhaustive search algorithm that tests all the possible frequencies, starting from the initial frequencies (upper bound), 
1220 and selects the vector of frequencies that minimize the EDP product.
1221
1222 Both algorithms were applied to the class D of the NAS benchmarks running over 16 nodes.
1223 The participating computing nodes are distributed  according to the two scenarios described in  Section~\ref{sec.res}. 
1224 The experimental results, the energy saving, performance degradation and trade-off distance percentages, are 
1225 presented in  Figures~\ref{fig:edp-eng}, \ref{fig:edp-perf} and \ref{fig:edp-dist} respectively.
1226
1227 As shown in these figures, the proposed frequencies selection algorithm, Maxdist, outperforms the EDP algorithm in terms of energy consumption reduction and performance for all of the benchmarks executed over the two scenarios. 
1228 The proposed algorithm gives better results than the EDP method because the former selects the set of frequencies that  
1229 gives the best tradeoff between energy saving and performance. 
1230 Moreover, the proposed scaling algorithm gives the same weight for these two metrics.
1231 Whereas, the EDP algorithm gives sometimes negative trade-off values for some benchmarks in the two sites scenarios.
1232 These negative trade-off values mean that the performance degradation percentage is higher than the energy saving percentage.
1233 The high positive values of the trade-off distance percentage mean that the  energy saving percentage is much higher than the performance degradation percentage. 
1234 The  complexity of both algorithms, Maxdist and EDP,  are of order $O(N \cdot M_i \cdot F_j)$ and 
1235 $O(N \cdot M_i \cdot F_j^2)$ respectively, where $N$ is the number of the clusters, $M_i$ is the number of nodes and $F_j$ is the 
1236 maximum number of available frequencies. When Maxdist is applied to a benchmark that is being executed over 32 nodes distributed between Nancy and Lyon sites, it takes on average  $0.01$  $ms$  to compute the best frequencies while the EDP method is on average ten times slower over the same architecture.  
1237
1238
1239 \section{Conclusion}
1240 \label{sec.concl}
1241 This paper presents a new online frequencies selection algorithm.
1242  The algorithm selects the best vector of 
1243 frequencies that maximizes  the trade-off distance 
1244 between the predicted energy consumption and the predicted execution time of the distributed 
1245  applications with iterations running over a heterogeneous grid. A new energy model 
1246 is used by the proposed algorithm to predict the energy consumption 
1247 of the application.
1248 To evaluate the proposed method on a real heterogeneous grid platform, it was applied on the  
1249 NAS parallel benchmarks   and the  class D instance was executed over the  Grid'5000 testbed platform. 
1250 The experiments executed on 16 nodes, distributed over three clusters, showed that the algorithm   on average reduces by 30\% the energy consumption
1251 for all the NAS benchmarks   while  on average only degrading by 3.2\%   the performance. 
1252 The Maxdist algorithm was also evaluated in different scenarios that vary in the distribution of the computing nodes between different clusters' sites or  use multi-core per node architecture or consume different static power values. The algorithm selects different vectors of frequencies according to the 
1253 computations and communication times ratios, and  the values of the static and measured dynamic powers of the CPUs. 
1254 Finally, the proposed algorithm was compared to another method that uses
1255 the well known energy and delay product as an objective function. The comparison results showed 
1256 that the proposed algorithm outperforms the latter by selecting a vector of frequencies that gives a better trade-off  between energy consumption reduction and performance. 
1257
1258 In the near future, we will adapt the proposed algorithm to take into consideration the variability between some iterations.  For example, the proposed algorithm can be executed twice: after the first iteration the frequencies are scaled down according to the execution times measured in the first iteration, then after a fixed number of iterations, the frequencies are adjusted according to the execution times measured during the fixed number of iterations. If the  computing power of the system is constantly changing, it would be interesting to implement a mechanism that detects this change and adjusts the frequencies according to the variability of the system. We would like also to develop a similar method that is adapted to
1259 asynchronous  applications with iterations where iterations are not synchronized and communications are overlapped with computations. 
1260 The development of such a method might require a new energy model because the
1261 number of iterations is not known in advance and depends on
1262 the global convergence of the iterative system. Finally, it would be interesting to evaluate the scalability of the proposed algorithm by running it on large platforms composed of many thousands of cores. The scalability of the algorithm can be improved by distributing it  in a hierarchical manner where a leader is chosen for each cluster or a group of nodes  to compute their scaled frequencies and by using asynchronous messages to exchange the the data measured at the first iteration. 
1263
1264
1265
1266 \section*{Acknowledgment}
1267
1268 This work  has been  partially supported by  the Labex ACTION  project (contract
1269 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations  have been performed  on the Grid'5000 platform. As  a  PhD student,
1270 Mr. Ahmed  Fanfakh, would  like to  thank the University  of Babylon  (Iraq) for
1271 supporting his work.
1272
1273 %\section*{References}
1274 \bibliography{my_reference}
1275
1276 \end{document}
1277
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