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[mpi-energy2.git] / mpi-energy2-extension / Heter_paper.tex
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100
101
102
103
104 \begin{document}
105
106 \begin{frontmatter}
107
108
109
110 \title{Energy Consumption Reduction with DVFS for Message \\
111          Passing Iterative Applications on \\
112                     Grid Architecture} 
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 iterative application. 
147   The algorithm has a small
148   overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model
149   for message passing iterative applications 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 show that it reduces the
152   energy consumption on average by \np[\%]{30} while  the performance  is only degraded
153   on average 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 scheduling, DVFS,
196 \dots{} 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 frequencies selecting algorithm was proposed to reduce
204 the energy consumption of message passing iterative applications running over
205 homogeneous  and heterogeneous clusters respectively.  
206 The results of the experiments showed significant energy
207 consumption reductions. All the experimental results were conducted over 
208 Simgrid simulator \cite{SimGrid}, which offers easy tools to create a homogeneous and heterogeneous platforms and run message passing parallel applications over them. In this paper, a new frequencies selecting algorithm,
209 adapted to  grid platforms composed of heterogeneous clusters, is presented. It is applied to the NAS parallel benchmarks and evaluated over a real testbed, 
210 the grid'5000 platform \cite{grid5000}. It selects  for a grid platform running a message passing iterative
211 application the vector of
212 frequencies  that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
213 minimum performance degradation ratios. The algorithm has a very small overhead,
214 works online and does not need any training or profiling.
215
216
217 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
218 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
219 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents
220 an energy model that predicts the energy consumption of an application running
221 over a grid platform. Section~\ref{sec.compet} presents the
222 energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
223 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
224 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequencies selecting algorithm.
225 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on the 
226 NAS parallel benchmarks and executing them on the grid'5000 testbed. 
227 %It shows the results of running different scenarios using multi-cores and one core per node and comparing them. 
228 It also evaluates the algorithm over three different power scenarios. Moreover, it shows the
229 comparison results between the proposed method and an existing method.  Finally,
230 in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
231
232 \section{Related works}
233 \label{sec.relwork}
234
235 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
236 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
237 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
238 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and may
239 degrade the performance of the application running on that processor, especially
240 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
241 processor to satisfy some objectives, while taking into account all the
242 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
243 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
244 compute the new frequency while executing the application, such
245 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
246 Others used offline methods that may need to run the application and profile
247 it before selecting the new frequency, such
248 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
249 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
250 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
251 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
252 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
253 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
254
255 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing
256 iterative synchronous applications running over heterogeneous grid platforms.  Some
257 works have already been done for such platforms and they can be classified into
258 two types of heterogeneous platforms:
259 \begin{itemize}
260 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
261 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
262 \end{itemize}
263
264 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
265 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
266 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
267 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
268 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
269 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
270 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
271 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
272 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
273 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
274 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
275 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
276 composed of CPUs.
277
278 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
279 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
280 consumption of this type of platform.  Naveen et
281 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
282 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
283 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
284 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster.
285 Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an
286 algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and non
287 critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
288 proportionally to their slack and communication times while limiting the
289 performance degradation percentage to less than \np[\%]{10}.
290 In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
291 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
292 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
293 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
294 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
295 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
296 some heuristic.  Chen et
297 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
298 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
299 while respecting given time constraints.  This approach had considerable
300 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
301 following contributions :
302 \begin{enumerate}
303 \item two new energy and performance models for message passing iterative
304   synchronous applications running over a heterogeneous grid platform. Both models
305   take into account communication and slack times. The models can predict the
306   required energy and the execution time of the application.
307
308 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous grid
309   platforms. The algorithm has a very small overhead and does not need any
310   training or profiling. It uses a new optimization function which
311   simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption
312   of a message passing iterative synchronous application.
313
314 \end{enumerate}
315
316
317
318 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous grid architecture}
319 \label{sec.exe}
320
321 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative
322   applications on a heterogeneous platform}
323
324 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
325 passing distributed iterative synchronous applications running over
326 heterogeneous grid platforms. A heterogeneous grid platform could be defined as a collection of
327 heterogeneous computing clusters interconnected via a long distance network which has lower bandwidth 
328 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.
329
330 \begin{figure}[!t]
331   \centering
332   \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
333   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
334   \label{fig:heter}
335 \end{figure}
336
337 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application 
338 over a heterogeneous grid consists of the sum of the computation time and 
339 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
340 heterogeneous computation power of the computing clusters, slack times may occur
341 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
342 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
343 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task 
344 which has the highest computation time and no slack time.
345
346 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in
347 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling
348 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU
349 and consequently its computing power, the execution time of a program running
350 over that scaled down processor may increase, especially if the program is
351 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling
352 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU
353 as in (\ref{eq:s}).
354 \begin{equation}
355   \label{eq:s}
356   S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
357 \end{equation}
358 The execution time of a compute bound sequential program is linearly
359 proportional to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand, message
360 passing distributed applications consist of two parts: computation and
361 communication.  The execution time of the computation part is linearly
362 proportional to the frequency scaling factor $S$ but the communication time is
363 not affected by the scaling factor because the processors involved remain idle
364 during the communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  The
365 communication time for a task is the summation of periods of time that begin
366 with an MPI call for sending or receiving a message until the message is
367 synchronously sent or received.
368
369 Since in a heterogeneous grid each cluster has different characteristics,
370 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on the nodes 
371 of these clusters, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
372 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ where $S_{ij}$ is the scaling factor of processor $j$ in cluster $i$ . To
373 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
374 applications running over a heterogeneous grid, for different vectors of
375 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
376 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
377 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
378 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
379 \begin{equation}
380   \label{eq:perf}
381   \Tnew = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\TcpOld[ij]} \cdot S_{ij}) 
382   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M}}  (\Tcm[hj])
383 \end{equation}
384
385 where $N$ is the number of  clusters in the grid, $M$ is the number of  nodes in
386 each cluster, $\TcpOld[ij]$ is the computation time of processor $j$ in the cluster $i$ 
387 and $\Tcm[hj]$ is the communication time of processor $j$ in the cluster $h$ during the 
388 first  iteration. The model computes the maximum computation time with scaling factor 
389 from each node added to the communication time of the slowest node in the slowest cluster $h$.
390 It means only the communication time without any slack time is taken into account.  
391 Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
392 the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied by the
393 number of iterations of that application.
394
395 This prediction model is developed from the model to predict the execution time
396 of message passing distributed applications for homogeneous and heterogeneous clusters
397 ~\cite{Our_first_paper,pdsec2015}.  The execution time prediction model is
398 used in the method to optimize both the energy consumption and the performance
399 of iterative methods, which is presented in the following sections.
400
401
402 \subsection{Energy model for heterogeneous grid platform}
403
404 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
405   Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
406   Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by
407 a processor into two power metrics: the static and the dynamic power.  While the
408 first one is consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is
409 only consumed during computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to
410 the switching activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$
411 and operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
412 \begin{equation}
413   \label{eq:pd}
414   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
415 \end{equation}
416 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
417 \begin{equation}
418   \label{eq:ps}
419    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
420 \end{equation}
421 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
422 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
423 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
424 to execute a given program can be computed as:
425 \begin{equation}
426   \label{eq:eind}
427   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
428 \end{equation}
429 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
430 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
431 communication and no slack time.
432
433 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy
434 consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  The operational
435 frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot
436 F$ with some constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the
437 dynamic voltage with respect to various frequency values
438 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction process of the
439 frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the ratio between
440 the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).  The CPU governors are
441 power schemes supplied by the operating system's kernel to lower a core's
442 frequency. The new frequency $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as
443 follows:
444 \begin{equation}
445   \label{eq:fnew}
446    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
447 \end{equation}
448 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following
449 equation for dynamic power consumption:
450 \begin{multline}
451   \label{eq:pdnew}
452    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
453    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
454 \end{multline}
455 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the
456 new frequency and the maximum frequency respectively.
457
458 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
459 $S^{-3}$ when reducing the frequency by a factor of
460 $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is
461 proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased
462 proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the dynamic power multiplied
463 by the new time of computation and is given by the following equation:
464 \begin{equation}
465   \label{eq:Edyn}
466    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp
467 \end{equation}
468 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed
469 during computation and even when idle. As
470 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling},
471 the static power of a processor is considered as constant during idle and
472 computation periods, and for all its available frequencies.  The static energy
473 is the static power multiplied by the execution time of the program.  According
474 to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the
475 program is the sum of the computation and the communication times. The
476 computation time is linearly related to the frequency scaling factor, while this
477 scaling factor does not affect the communication time.  The static energy of a
478 processor after scaling its frequency is computed as follows:
479 \begin{equation}
480   \label{eq:Estatic}
481   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
482 \end{equation}
483
484 In the considered heterogeneous grid platform, each node $j$ in cluster $i$ may have
485 different dynamic and static powers from the nodes of the other clusters, 
486 noted as $\Pd[ij]$ and $\Ps[ij]$ respectively.  Therefore, even if the distributed 
487 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $j$ 
488 in cluster $i$ noted $\Tcp[ij]$ may be different and different frequency scaling factors may be
489 computed in order to decrease the overall energy consumption of the application
490 and reduce slack times.  The communication time of a processor $j$ in cluster $i$ is noted as
491 $\Tcm[ij]$ and could contain slack times when communicating with slower nodes,
492 see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore, all nodes do not have equal
493 communication times. While the dynamic energy is computed according to the
494 frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in
495 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time
496 of one iteration multiplied by the static power of each processor.  The overall
497 energy consumption of a message passing distributed application executed over a
498 heterogeneous grid platform during one iteration is the summation of all dynamic and
499 static energies for $M$ processors in $N$ clusters.  It is computed as follows:
500 \begin{multline}
501   \label{eq:energy}
502  E = \sum_{i=1}^{N} \sum_{i=1}^{M} {(S_{ij}^{-2} \cdot \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])} +  
503  \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot {} \\
504   (\mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\Tcp[ij]} \cdot S_{ij}) 
505   +\mathop{\min_{j=1,\dots M}} (\Tcm[hj]) ))
506 \end{multline}
507
508
509 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of scaling
510 factors $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ may degrade the performance of the application
511 and thus, increase the static energy because the execution time is
512 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption
513 for the iterative application can be measured by measuring the energy
514 consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) multiplied by the number
515 of iterations of that application.
516
517 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
518 \label{sec.compet}
519
520 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
521 energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic
522 power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its
523 computation power is proportionally decreased. Hence, the execution time might
524 be drastically increased and during that time, dynamic and static powers are
525 being consumed.  Therefore, it might cancel any gains achieved by scaling down
526 the frequency of all nodes to the minimum and the overall energy consumption of
527 the application might not be the optimal one.  It is not trivial to select the
528 appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the
529 characteristics of each processor (computation power, range of frequencies,
530 dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication
531 ratio). The aim being to reduce the overall energy consumption and to avoid
532 increasing significantly the execution time.
533 In our previous
534 works, \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015}, two methods that select the optimal
535 frequency scaling factors for a homogeneous and a heterogeneous cluster respectively, were proposed. 
536 Both methods selects the frequencies that gives the best tradeoff between 
537 energy consumption reduction and performance for  message passing
538 iterative synchronous applications.   In this work we
539 are interested in grids that are composed of heterogeneous clusters were the nodes have different characteristics such  as  dynamic power, static power, computation power, frequencies range, network latency and bandwidth. 
540 Due to the
541 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should be selected
542 and it must give the best trade-off between energy consumption and performance.
543
544 The relation between the energy consumption and the execution time for an
545 application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the
546 execution time and the scaling factor, the relation between the energy and the
547 frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer
548 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  Moreover, these relations
549 are not measured using the same metric.  To solve this problem, the execution
550 time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after
551 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with
552 maximum frequency for all nodes) as follows:
553 \begin{equation}
554   \label{eq:pnorm}
555   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}                 
556 \end{equation}
557
558
559 Where $Tnew$ is computed as in (\ref{eq:perf}) and $Told$ is computed as in (\ref{eq:told})
560 \begin{equation}
561   \label{eq:told}
562    \Told = \mathop{\max_{i=1,2,\dots,N}}_{j=1,2,\dots,M} (\Tcp[ij]+\Tcm[ij])             
563 \end{equation}
564 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the
565 consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with
566 maximum frequency for all  nodes:
567 \begin{equation}
568   \label{eq:enorm}
569   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} 
570 \end{equation}
571
572 Where $\Ereduced$  is computed using (\ref{eq:energy}) and $\Eoriginal$ is 
573 computed as in (\ref{eq:eorginal}).
574
575
576 \begin{equation}
577   \label{eq:eorginal}
578     \Eoriginal = \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} ( \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])  + 
579      \mathop{\sum_{i=1}^{N}} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot \Told)       
580 \end{equation}
581
582 While the main goal is to optimize the energy and execution time at the same
583 time, the normalized energy and execution time curves do not evolve (increase/decrease) in the same way. 
584 According to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the
585 vector of frequency scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy
586 and the execution time simultaneously.  But the main objective is to produce
587 maximum energy reduction with minimum execution time reduction.
588
589 This problem can be solved by making the optimization process for energy and
590 execution time follow the same evolution according to the vector of scaling factors
591 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$. Therefore, the equation of the
592 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance
593 equation, as follows:
594 \begin{equation}
595   \label{eq:pnorm_inv}
596   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}          
597 \end{equation}
598
599 \begin{figure}
600   \centering
601   \subfloat[Homogeneous cluster]{%
602     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}} \hspace{2cm}%
603   \subfloat[Heterogeneous grid]{%
604     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
605   \label{fig:rel}
606   \caption{The energy and performance relation}
607 \end{figure}
608
609 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
610 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
611 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
612 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
613 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
614 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
615 \begin{equation}
616   \label{eq:max}
617   \MaxDist =
618 \mathop{  \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}}_{k=1,\dots,F}
619       (\overbrace{\Pnorm(S_{ijk})}^{\text{Maximize}} -
620        \overbrace{\Enorm(S_{ijk})}^{\text{Minimize}} )
621 \end{equation}
622 where $N$ is the number of clusters, $M$ is the number of nodes in each cluster and
623 $F$ is the number of available frequencies for each node.  Then, the optimal set 
624 of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
625 The objective function can work with any energy model or any power 
626 values for each node (static and dynamic powers). However, the most important 
627 energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown 
628 in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
629
630 \section{The scaling factors selection algorithm for  grids }
631 \label{sec.optim}
632
633 \begin{algorithm}
634 \setstretch{1}
635   \begin{algorithmic}[1]
636     % \footnotesize
637     
638     \Require ~
639     \begin{description}
640     \item [{$N$}] number of clusters in the grid. 
641     \item [{$M$}] number of nodes in each cluster.
642     \item[{$\Tcp[ij]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
643     \item[{$\Tcm[ij]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
644     \item[{$\Fmax[ij]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
645     \item[{$\Pd[ij]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
646     \item[{$\Ps[ij]$}] array of the static powers for all nodes.
647     \item[{$\Fdiff[ij]$}] array of the differences between two successive frequencies for all nodes.
648     \end{description}
649     \Ensure $\Sopt[11],\Sopt[12] \dots, \Sopt[NM_i]$,  a vector of scaling factors that gives the optimal tradeoff between energy consumption and execution time
650
651     \State $\Scp[ij] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\max_{j=1,2,\dots,M_i}(\Tcp[ij]))}{\Tcp[ij]} $
652     \State $F_{ij} \gets  \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N},~{j=1,2,\dots,M_i}.$
653     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest  available frequency for each node.
654     \If{(not the first frequency)}
655           \State $F_{ij} \gets F_{ij}+\Fdiff[ij],~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}.$
656     \EndIf
657     \State $\Told \gets $ computed as in equations (\ref{eq:told}).
658     \State $\Eoriginal \gets $ computed as in equations (\ref{eq:eorginal}) .
659     \State $\Sopt[ij] \gets 1,~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}. $
660     \State $\Dist \gets 0 $
661     \While {(all nodes have not reached their  minimum   \newline\hspace*{2.5em} frequency \textbf{or}  $\Pnorm - \Enorm < 0 $)}
662         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
663         \State $F_{ij} \gets F_{ij} - \Fdiff[ij],~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}$.
664         \State $S_{ij} \gets \frac{\Fmax[ij]}{F_{ij}},~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}.$
665         \EndIf
666        \State $\Tnew \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:perf}). 
667        \State $\Ereduced \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:energy}). 
668        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$,  $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
669       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
670         \State $\Sopt[ij] \gets S_{ij},~i=1,\dots,N,~j=1,\dots,M_i. $
671         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
672       \EndIf
673     \EndWhile
674     \State  Return $\Sopt[11],\Sopt[12],\dots,\Sopt[NM_i]$
675   \end{algorithmic}
676   \caption{Scaling factors selection algorithm}
677   \label{HSA}
678 \end{algorithm}
679
680 \begin{algorithm}
681   \begin{algorithmic}[1]
682     % \footnotesize
683     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
684       \State Computations section.
685       \State Communications section.
686       \If {$(k=1)$}
687         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
688                communication from each node.
689         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
690         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
691                returned optimal scaling factors.
692         \State Set the new frequencies to nodes.
693       \EndIf
694     \EndFor
695   \end{algorithmic}
696   \caption{DVFS algorithm}
697   \label{dvfs}
698 \end{algorithm}
699
700
701 In this section, the scaling factors selection algorithm for  grids, algorithm~\ref{HSA}, 
702 is presented. It selects the vector of the frequency
703 scaling factors  that gives the best trade-off between minimizing the
704 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
705 synchronous iterative application executed on a  grid. It works
706 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
707 uses information gathered during the first iteration such as the computation
708 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
709 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
710 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
711 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
712 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
713 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
714 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
715
716 \begin{figure}[!t]
717   \centering
718   \includegraphics[scale=0.6]{fig/init_freq}
719   \caption{Selecting the initial frequencies}
720   \label{fig:st_freq}
721 \end{figure}
722
723 Nodes from distinct clusters in a grid have different computing powers, thus
724 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
725 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
726 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
727 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
728 problem and tries to reduce these slack times when selecting the vector of the frequency
729 scaling factors. At first, it selects initial frequency scaling factors
730 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
731 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
732 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
733 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
734 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
735 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
736 \begin{equation}
737   \label{eq:Scp}
738   \Scp[ij] =  \frac{ \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}(\Tcp[ij])} {\Tcp[ij]}
739 \end{equation}
740 Using the initial frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the
741 algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the
742 maximum frequency of node $i$ and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as
743 follows:
744 \begin{equation}
745   \label{eq:Fint}
746   F_{ij} = \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[ij]},~{i=1,2,\dots,N},~{j=1,\dots,M}
747 \end{equation}
748 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
749 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
750 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing powers in
751 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
752 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
753 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
754 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
755 optimal vector of frequencies because selecting higher frequencies
756 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
757 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
758 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
759 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
760 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.
761 A negative distance means that the performance degradation ratio is higher than the energy saving ratio.
762 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. 
763
764 Therefore, the algorithm iterates on all remaining frequencies, from the higher
765 bound until all nodes reach their minimum frequencies or their lower bounds, to compute the overall
766 energy consumption and performance and selects the optimal vector of the frequency scaling
767 factors. At each iteration the algorithm determines the slowest node
768 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
769 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
770 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
771 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
772 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
773
774 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2} illustrate the normalized performance and
775 consumed energy for an application running on a homogeneous cluster and a
776  grid platform respectively while increasing the scaling factors. It can
777 be noticed that in a homogeneous cluster the search for the optimal scaling
778 factor should start from the maximum frequency because the performance and the
779 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand, in
780 the  grid platform the performance is maintained at the beginning of the
781 plot even if the frequencies of the faster nodes decrease until the computing
782 power of scaled down nodes are lower than the slowest node. In other words,
783 until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher the
784 difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger the
785 maximum distance between the energy curve and the performance curve is, which results in bigger energy savings. 
786
787
788 \section{Experimental results}
789 \label{sec.expe}
790 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}, 
791 in this paper real experiments were conducted over the grid'5000 platform. 
792
793 \subsection{Grid'5000 architature and power consumption}
794 \label{sec.grid5000}
795 Grid'5000~\cite{grid5000} is a large-scale testbed that consists of ten sites distributed over all metropolitan France and Luxembourg. All the sites are connected together via         a special long distance network called RENATER,
796 which is the French National Telecommunication Network for Technology.
797 Each site of the grid is composed of few heterogeneous 
798 computing clusters and each cluster contains many homogeneous nodes. In total,
799 grid'5000 has about  one thousand heterogeneous nodes and eight thousand cores.  In each site,
800 the clusters and their nodes are connected via  high speed local area networks. 
801 Two types of local networks are used, Ethernet or Infiniband networks which have  different characteristics in terms of bandwidth and latency.  
802
803 Since grid'5000 is dedicated for 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 
804 the power consumption  for each node in those sites. The measured power is the overall consumed power by by all the components of a node at a given instant, such as CPU, hard drive, main-board, memory, ...  For more details refer to
805 \cite{Energy_measurement}. To just measure the CPU power of one core in a node $j$, 
806  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 consumption represents the 
807 dynamic power consumption of that core with the maximum frequency, see  figure(\ref{fig:power_cons}). 
808
809
810 The dynamic power $\Pd[j]$ is computed as in equation (\ref{eq:pdyn})
811 \begin{equation}
812   \label{eq:pdyn}
813     \Pd[j] = \max_{x=\beta_1,\dots \beta_2} (\Pmax[jx])  -  \min_{y=\Theta_1,\dots \Theta_2} (\Pidle[jy])
814 \end{equation}
815
816 where $\Pd[j]$ is the dynamic power consumption for one core of node $j$, 
817 $\lbrace \beta_1,\beta_2 \rbrace$ is the time interval for the measured maximum power values, 
818 $\lbrace\Theta_1,\Theta_2\rbrace$ is the time interval for the measured  idle power values.
819 Therefore, the dynamic power of one core is computed as the difference between the maximum 
820 measured value in maximum powers vector and the minimum measured value in the idle powers vector.
821
822 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.
823
824 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 in figure (\ref{fig:grid5000}).
825
826 Four clusters from the two sites were selected in the experiments: one cluster from 
827 Lyon's site, Taurus cluster, and three clusters from Nancy's site, Graphene, 
828 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 
829 frequency ranges and local network features: the bandwidth and the latency.  Table \ref{table:grid5000} shows 
830 the details characteristics of these four clusters. Moreover, the dynamic powers were computed  using the equation (\ref{eq:pdyn}) for all the nodes in the 
831 selected clusters and are presented in table  \ref{table:grid5000}.
832
833
834 \begin{figure}[!t]
835   \centering
836   \includegraphics[scale=1]{fig/grid5000}
837   \caption{The selected two sites of grid'5000}
838   \label{fig:grid5000}
839 \end{figure}
840 \begin{figure}[!t]
841   \centering
842   \includegraphics[scale=0.6]{fig/power_consumption.pdf}
843   \caption{The power consumption by one core from the Taurus cluster}
844   \label{fig:power_cons}
845 \end{figure}
846
847
848 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.
849 The benchmark suite contains seven applications: CG, MG, EP, LU, BT, SP and FT. These applications have different computations and communications ratios and strategies which make them good testbed applications to evaluate the proposed algorithm and energy model.
850 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 this work, the class D was used for all benchmarks in all the experiments presented in the next sections. 
851
852
853   
854 \begin{table}[!t]
855   \caption{CPUs characteristics of the selected clusters}
856   % title of Table
857   \centering
858   \begin{tabular}{|*{7}{c|}}
859     \hline
860     Cluster     & CPU         & Max   & Min   & Diff. & no. of cores    & dynamic power   \\
861     Name        & model       & Freq. & Freq. & Freq. & per CPU         & of one core     \\
862                 &             & GHz   & GHz   & GHz   &                 &           \\
863     \hline
864     Taurus      & Intel       & 2.3  & 1.2  & 0.1     & 6               & \np[W]{35} \\
865                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
866                 & E5-2630     &       &       &       &                 &            \\         
867     \hline
868     Graphene    & Intel       & 2.53  & 1.2   & 0.133 & 4               & \np[W]{23} \\
869                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
870                 & X3440       &       &       &       &                 &            \\    
871     \hline
872     Griffon     & Intel       & 2.5   & 2     & 0.5   & 4               & \np[W]{46} \\
873                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
874                 & L5420       &       &       &       &                 &            \\  
875     \hline
876     Graphite    & Intel       & 2     & 1.2   & 0.1   & 8               & \np[W]{35} \\
877                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
878                 & E5-2650     &       &       &       &                 &            \\  
879     \hline
880   \end{tabular}
881   \label{table:grid5000}
882 \end{table} 
883
884
885
886 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
887 \label{sec.res}
888 In this section, the results of the application of the scaling factors selection algorithm \ref{HSA} 
889 to the NAS parallel benchmarks are presented. 
890
891 As mentioned previously, the experiments 
892 were conducted over two sites of grid'5000,  Lyon and Nancy sites. 
893 Two scenarios were considered while selecting the clusters from these two sites :
894 \begin{itemize}
895 \item In the first scenario, nodes from two sites and three heterogeneous clusters were selected. The two sites are connected 
896  via a long distance network.
897 \item In the second scenario nodes from three clusters that are located in one site, Nancy site.  
898 \end{itemize}
899
900 The main reason 
901 behind using these two scenarios is to evaluate the influence of long distance communications (higher latency) on the performance of the 
902 scaling factors selection algorithm. Indeed, in the first scenario the computations to communications ratio 
903 is very low due to the higher communication times which reduces the effect of DVFS operations.
904
905 The NAS parallel benchmarks are executed over 
906 16 and 32 nodes for each scenario. The number of participating computing nodes form each cluster 
907 are 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.
908 Table \ref{tab:sc} shows the number of nodes used from each cluster for each scenario. 
909
910 \begin{table}[h]
911
912 \caption{The different clusters scenarios}
913 \centering
914 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
915 \hline
916 \multirow{2}{*}{Scenario name}        & \multicolumn{3}{c|} {The participating clusters} \\ \cline{2-4} 
917                                       & Cluster & Site           & No. of  nodes     \\ 
918 \hline
919 \multirow{3}{*}{Two sites / 16 nodes} & Taurus & Lyon                & 5                      \\ \cline{2-4} 
920                                       & Graphene  & Nancy             & 5                      \\ \cline{2-4} 
921                                       & Griffon       & Nancy        & 6                      \\ 
922 \hline
923 \multirow{3}{*}{Tow sites / 32 nodes} & Taurus  & Lyon               & 10                     \\ \cline{2-4} 
924                                       & Graphene  & Nancy             & 10                     \\ \cline{2-4} 
925                                       & Griffon     &Nancy           & 12                     \\ 
926 \hline
927 \multirow{3}{*}{One site / 16 nodes}  & Graphite    & Nancy            & 4                      \\ \cline{2-4} 
928                                       & Graphene     & Nancy           & 6                      \\ \cline{2-4} 
929                                       & Griffon         & Nancy        & 6                      \\ 
930 \hline
931 \multirow{3}{*}{One site / 32 nodes}  & Graphite   & Nancy             & 4                      \\ \cline{2-4} 
932                                       & Graphene      & Nancy          & 14                     \\ \cline{2-4} 
933                                       & Griffon          & Nancy       & 14                       \\ 
934 \hline
935 \end{tabular}
936  \label{tab:sc}
937 \end{table}
938
939
940
941
942 The NAS parallel benchmarks are executed over these two platforms
943  with different number of nodes, as in Table \ref{tab:sc}. 
944 The overall energy consumption of all the benchmarks solving the class D instance and
945 using the proposed frequency selection algorithm is measured 
946 using the equation of the reduced energy consumption, equation 
947 (\ref{eq:energy}). This model uses the measured dynamic and static 
948 power values  showed in Table \ref{table:grid5000}. The execution
949 time is measured for all the benchmarks over these different scenarios.  
950
951 The energy consumptions  and the execution times for all the benchmarks are 
952 presented in the plots \ref{fig:eng_sen} and \ref{fig:time_sen} respectively. 
953
954 For the majority of the benchmarks, the energy consumed while executing  the NAS benchmarks over one site scenario 
955 for  16 and 32 nodes is lower than the energy consumed while using two sites. 
956 The long distance communications between the two distributed sites increase the idle time, which leads to more static energy consumption. 
957
958 The execution times of these benchmarks 
959 over one site with 16 and 32 nodes are also lower when  compared to those of the  two sites 
960 scenario. Moreover, most of the benchmarks running over the one site scenario their execution times  are approximately divided by two  when the number of computing nodes is doubled from 16 to 32 nodes (linear speed up according to the number of the nodes).  
961
962 However, the  execution times and the energy consumptions of EP and MG benchmarks, which have no or small communications, are not significantly affected 
963  in both scenarios. Even when the number of nodes is doubled. On the other hand, the communications of the rest of the benchmarks increases when using long distance communications between two sites or increasing the number of computing nodes.
964
965
966
967 The energy saving percentage is computed as the ratio between the reduced 
968 energy consumption, equation (\ref{eq:energy}), and the original energy consumption,
969 equation (\ref{eq:eorginal}), for all benchmarks as in figure \ref{fig:eng_s}. 
970 This figure shows that the energy saving percentages of one site scenario for
971 16 and 32 nodes are bigger than those of the two sites scenario which is due
972 to the higher  computations to communications ratio in the first scenario   
973 than in the second one. Moreover, the frequency selecting algorithm selects smaller frequencies when the computations times are bigger than the communication times which 
974 results in  a lower energy consumption. Indeed, the dynamic  consumed power
975 is exponentially related to the CPU's frequency value. On the other side, the increase in the number of computing nodes can 
976 increase the communication times and thus produces less energy saving depending on the 
977 benchmarks being executed. The results of the benchmarks CG, MG, BT and FT show more 
978 energy saving percentage in one site scenario when executed over 16 nodes comparing to 32 nodes. While, LU and SP consume more energy with 16 nodes than 32 in one site  because their computations to communications ratio is not affected by the increase of the number of local communications. 
979 \begin{figure}
980   \centering
981   \subfloat[The energy consumption by the nodes wile executing the NAS benchmarks over different scenarios    
982            ]{%
983     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_con_scenarios.eps}\label{fig:eng_sen}} \hspace{1cm}%
984   \subfloat[The execution times of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
985     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/time_scenarios.eps}\label{fig:time_sen}}
986   \label{fig:exp-time-energy}
987   \caption{The  energy consumption and execution time of NAS  Benchmarks over different scenarios}
988 \end{figure}
989
990
991
992
993 The energy saving percentage is reduced for all the benchmarks because of the long distance communications in the two sites 
994 scenario, except for the   EP benchmark which has  no communications. Therefore, the energy saving percentage of this benchmark is 
995 dependent on the maximum difference between the computing powers of the heterogeneous computing nodes, for example 
996 in the one site scenario, the graphite cluster is selected but in the two sits scenario 
997 this cluster is replaced with Taurus cluster which is more powerful. 
998 Therefore, the energy saving of EP benchmarks are bigger in the two sites scenario due 
999 to the higher maximum difference between the computing powers of the nodes. 
1000
1001 In fact, high differences between the nodes' computing powers make the proposed frequencies selecting  
1002 algorithm  select smaller frequencies for the powerful nodes which 
1003 produces less energy consumption and thus more energy saving.
1004 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\%.
1005
1006 \begin{figure}
1007   \centering
1008   \subfloat[The energy reduction while executing the NAS benchmarks over different scenarios ]{%
1009     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_s.eps}\label{fig:eng_s}} \hspace{2cm}%
1010   \subfloat[The performance degradation of the NAS benchmarks over different scenarios]{%
1011     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/per_d.eps}\label{fig:per_d}}\hspace{2cm}%
1012     \subfloat[The tradeoff distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks  
1013       over different scenarios]{%
1014     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/dist.eps}\label{fig:dist}}
1015   \label{fig:exp-res}
1016   \caption{The experimental results of different scenarios}
1017 \end{figure}
1018 Figure \ref{fig:per_d} presents the performance degradation percentages for all benchmarks over the two scenarios.
1019 The performance degradation percentage for the benchmarks running on two sites  with
1020 16 or 32  nodes is on average equal to 8.3\% or 4.7\% respectively. 
1021 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 higher 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
1022 16 or 32  nodes is on average equal to 3.2\% or 10.6\% respectively. In opposition 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 
1023 nodes when the communications occur in high speed network does not decrease the computations to 
1024 communication ratio. 
1025
1026 The performance degradation percentage of the EP benchmark after applying the scaling factors selection algorithm is the highest in comparison to 
1027 the other benchmarks. Indeed, in the EP benchmark, there are no communication and slack times and its 
1028 performance degradation percentage only depends on the frequencies values selected by the algorithm for the computing nodes.
1029 The rest of the benchmarks showed different performance degradation percentages, which decrease
1030 when the communication times increase and vice versa.
1031
1032 Figure \ref{fig:dist} presents the  distance percentage between the energy saving  and the performance degradation for each benchmark  over both  scenarios. The tradeoff distance percentage can be 
1033 computed as in equation \ref{eq:max}. The one site scenario with 16 nodes gives the best energy and performance 
1034 tradeoff, on average it is equal to  26.8\%. The one site scenario using both 16 and 32 nodes had better energy and performance 
1035 tradeoff comparing to the two sites scenario  because the former has high speed local communications 
1036 which increase the computations to communications ratio  and the latter uses long distance communications which decrease this ratio. 
1037
1038  Finally, the best energy and performance tradeoff depends on all of the following:
1039 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.
1040
1041
1042
1043
1044 \subsection{The experimental results over multi-cores clusters}
1045 \label{sec.res-mc}
1046
1047 The  clusters of grid'5000 have different number of cores embedded in their nodes
1048 as shown in Table \ref{table:grid5000}. In 
1049 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 the section \ref{sec.res}.
1050 The one site scenario uses  32 cores from multi-cores nodes instead of 32 distinct nodes. For example if 
1051 the participating number of cores from a certain cluster is equal to 14, 
1052 in the multi-core scenario the selected nodes is equal to  4 nodes while using 
1053 3 or 4 cores from each node. The platforms with one  
1054 core per node and  multi-cores nodes are  shown in Table \ref{table:sen-mc}. 
1055 The energy consumptions and execution times of running the class D of the NAS parallel 
1056 benchmarks over these four different scenarios are presented 
1057 in the figures \ref{fig:eng-cons-mc} and \ref{fig:time-mc} respectively.
1058
1059 \begin{table}[]
1060 \centering
1061 \caption{The multicores scenarios}
1062 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
1063 \hline
1064 Scenario name                          & Cluster name & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  nodes\\ in each cluster\end{tabular} & 
1065                                        \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  cores\\ for each node\end{tabular}  \\ \hline
1066 \multirow{3}{*}{One core per node}    & Graphite     & 4               & 1                   \\  \cline{2-4}
1067                                        & Graphene     & 14              & 1                   \\  \cline{2-4}
1068                                        & Griffon      & 14              & 1                   \\ \hline
1069 \multirow{3}{*}{Multi-cores per node}  & Graphite     & 1               &  4              \\  \cline{2-4}
1070                                        & Graphene     & 4               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1071                                        & Griffon      & 4               & 3 or 4                   \\ \hline
1072 \end{tabular}
1073 \label{table:sen-mc}
1074 \end{table}
1075
1076
1077 \begin{figure}
1078   \centering
1079   \subfloat[Comparing the  execution times of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1080     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/time.eps}\label{fig:time-mc}} \hspace{1cm}%
1081   \subfloat[Comparing the  energy consumptions of running NAS benchmarks over one core and multi-cores scenarios]{%
1082     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_con.eps}\label{fig:eng-cons-mc}}
1083     \label{fig:eng-cons}
1084   \caption{The energy consumptions and execution times of NAS benchmarks over one core and multi-cores per node architectures}
1085 \end{figure}
1086
1087
1088
1089 The execution times for most of  the NAS  benchmarks are higher over the multi-cores per node scenario 
1090 than over single core per node  scenario. Indeed,  
1091  the communication times  are higher in the one site multi-cores 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.    
1092 Moreover, the energy consumptions of the NAS benchmarks are lower over the 
1093  one core scenario  than over the multi-cores scenario because 
1094 the first scenario had less execution time than the latter which results in less static energy being consumed.
1095 The computations to communications ratios of the NAS benchmarks are higher over 
1096 the one site one core scenario  when compared to the ratio of the multi-cores scenario. 
1097 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 
1098 consumption and the execution times of the EP and MG benchmarks do not change significantly over these two
1099 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.
1100   
1101   
1102 The energy saving percentages of all NAS benchmarks running over these two scenarios are presented in the figure \ref{fig:eng-s-mc}. 
1103 The figure shows that  the energy saving percentages in the one 
1104 core and the multi-cores scenarios
1105 are approximately equivalent, on average they are equal to  25.9\% and 25.1\% respectively.
1106 The energy consumption is reduced at the same rate in the two scenarios when compared to the energy consumption of the executions without DVFS. 
1107
1108
1109 The performance degradation percentages of the NAS benchmarks are presented in
1110 figure \ref{fig:per-d-mc}. It shows that the performance degradation percentages is higher for the NAS benchmarks over the  one core per node scenario  (on average equal to 10.6\%)  than over the  multi-cores scenario (on average equal to 7.5\%). The performance degradation percentages over the multi-cores scenario is lower because  the computations to communications ratio is smaller than the ratio of the other scenario. 
1111
1112 The tradeoff distance percentages of the NAS benchmarks over the two scenarios are presented 
1113 in the figure \ref{fig:dist-mc}. These  tradeoff distance 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  tradeoff distance percentages are on average   bigger over the multi-cores scenario  (17.6\%) than over the  one core per node scenario  (15.3\%).
1114
1115
1116
1117 \begin{figure}
1118   \centering
1119     \subfloat[The energy saving of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1120     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_s_mc.eps}\label{fig:eng-s-mc}} \hspace{2cm}%
1121     \subfloat[The performance degradation of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios
1122       ]{%
1123     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/per_d_mc.eps}\label{fig:per-d-mc}}\hspace{2cm}%
1124     \subfloat[The tradeoff distance of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios]{%
1125     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/dist_mc.eps}\label{fig:dist-mc}}
1126   \label{fig:exp-res}
1127   \caption{The experimental results of one core and multi-cores scenarios}
1128 \end{figure}
1129
1130
1131
1132 \subsection{Experiments with different static and dynamic powers consumption scenarios}
1133 \label{sec.pow_sen}
1134
1135 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. 
1136
1137 The aim of  this section is to evaluate the scaling algorithm while assuming different values of static powers. 
1138 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.
1139 The experiments have been executed with these two new static power scenarios  over the one site one core per node scenario.
1140 In these experiments, the class D of the NAS parallel benchmarks are executed over Nancy's site. 16 computing nodes from the three clusters, Graphite, Graphene and Griffon, where used in this experiment. 
1141
1142
1143 \begin{figure}
1144   \centering
1145   \subfloat[The energy saving percentages for the nodes executing the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1146     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/eng_pow.eps}\label{fig:eng-pow}} \hspace{2cm}%
1147   \subfloat[The performance degradation percentages for the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1148     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/per_pow.eps}\label{fig:per-pow}}\hspace{2cm}%
1149     \subfloat[The tradeoff distance between the energy reduction and the performance of the NAS benchmarks over the three power scenarios]{%
1150       
1151     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/dist_pow.eps}\label{fig:dist-pow}}
1152   \label{fig:exp-pow}
1153   \caption{The experimental results of different static power scenarios}
1154 \end{figure}
1155
1156
1157
1158 \begin{figure}
1159   \centering
1160   \includegraphics[scale=0.5]{fig/three_scenarios.pdf}
1161   \caption{Comparing the selected frequency scaling factors for the MG benchmark over the three static power scenarios}
1162   \label{fig:fre-pow}
1163 \end{figure}
1164
1165 The energy saving percentages of the NAS benchmarks with the three static power scenarios are presented 
1166 in figure \ref{fig:eng_sen}. This figure shows that the  10\% of static power scenario 
1167 gives the biggest energy saving percentages in comparison to the 20\% and 30\% static power 
1168 scenarios. The small value of the static power consumption makes the proposed 
1169 scaling algorithm  select smaller frequencies for the CPUs. 
1170 These smaller frequencies reduce the dynamic energy consumption more than increasing the consumed static energy which gives             less overall energy consumption. 
1171 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.
1172
1173 The performance degradation percentages are presented in the figure \ref{fig:per-pow}.
1174 The 30\% static power scenario had less performance degradation percentage  because the scaling algorithm
1175 had  selected big frequencies for the CPUs. While, 
1176 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 tradeoff distance percentage for the NAS benchmarks with these three static power scenarios 
1177 are presented in the figure \ref{fig:dist}. 
1178 It shows that the best  tradeoff
1179 distance percentage is obtained with  the  10\% static power scenario  and this percentage 
1180 is decreased for the other two scenarios because the scaling algorithm had selected different frequencies according to the static power values.
1181
1182 In the EP benchmark, the energy saving, performance degradation and tradeoff 
1183 distance percentages for the 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.
1184
1185
1186  
1187 \subsection{The comparison of the proposed frequencies selecting algorithm }
1188 \label{sec.compare_EDP}
1189
1190 Finding the frequencies that gives the best tradeoff between the energy consumption and the performance for a parallel 
1191 application is not a trivial task.  Many algorithms have been proposed to tackle this problem.  
1192 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}. 
1193 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-cores 
1194 architecture. Their online algorithm predicts the energy consumption and execution time of a processor before using the EDP method.
1195
1196 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
1197 execution time model, equation \ref{eq:perf}, to predict the energy consumption and the execution time for each computing node.
1198 Moreover, both algorithms start the search space from the upper bound computed as in equation   \ref{eq:Fint}.
1199 Finally, the resulting EDP algorithm is an exhaustive search algorithm that tests all the possible frequencies, starting from the initial frequencies (upper bound), 
1200 and selects the vector of frequencies that minimize the EDP product.
1201
1202 Both algorithms were applied to the class D of the NAS benchmarks over 16 nodes.
1203 The participating computing nodes are distributed  according to the two scenarios described in  section \ref{sec.res}. 
1204 The experimental results, the energy saving, performance degradation and tradeoff distance percentages, are 
1205 presented in the figures \ref{fig:edp-eng}, \ref{fig:edp-perf} and \ref{fig:edp-dist} respectively.
1206
1207
1208 \begin{figure}
1209   \centering
1210   \subfloat[The energy reduction induced by the Maxdist method and the EDP method]{%
1211     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/edp_eng}\label{fig:edp-eng}} \hspace{2cm}%
1212     \subfloat[The performance degradation induced by  the Maxdist method and the EDP method]{%
1213     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/edp_per}\label{fig:edp-perf}}\hspace{2cm}%
1214     \subfloat[The tradeoff distance between the energy consumption reduction and the performance for the Maxdist method and the  EDP method]{%
1215     \includegraphics[width=.4\textwidth]{fig/edp_dist}\label{fig:edp-dist}}
1216   \label{fig:edp-comparison}
1217   \caption{The comparison results}
1218 \end{figure}
1219
1220 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. 
1221 The proposed algorithm gives better results than EDP  because it 
1222 maximizes the energy saving and the performance at the same time. 
1223 Moreover, the proposed scaling algorithm gives the same weight for these two metrics.
1224 Whereas, the EDP algorithm gives sometimes negative tradeoff values for some benchmarks in the two sites scenarios.
1225 These negative tradeoff values mean that the performance degradation percentage is higher than energy saving percentage.
1226 The high positive values of the tradeoff distance percentage mean that the  energy saving percentage is much higher than the performance degradation percentage. 
1227 The time complexity of both Maxdist and EDP algorithms are $O(N \cdot M \cdot F)$ and 
1228 $O(N \cdot M \cdot F^2)$ respectively, where $N$ is the number of the clusters, $M$ is the number of nodes and $F$ is the 
1229 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 EDP is on average ten times slower over the same architecture.  
1230
1231
1232 \section{Conclusion}
1233 \label{sec.concl}
1234 This paper has presented a new online frequencies selection algorithm.
1235  The algorithm selects the best vector of 
1236 frequencies that maximizes  the tradeoff distance 
1237 between the predicted energy consumption and the predicted execution time of the distributed 
1238 iterative applications running over a heterogeneous grid. A new energy model 
1239 is used by the proposed algorithm to predict the energy consumption 
1240 of the distributed iterative message passing application running over a grid architecture.
1241 To evaluate the proposed method on a real heterogeneous grid platform, it was applied on the  
1242  NAS parallel benchmarks   and the  class D instance was executed over the  grid'5000 testbed platform. 
1243  The experimental results showed that the algorithm reduces  on average 30\% of the energy consumption
1244 for all the NAS benchmarks   while  only degrading by 3.2\% on average  the performance. 
1245 The Maxdist algorithm was also evaluated in different scenarios that vary in the distribution of the computing nodes between different clusters' sites or between using one core and multi-cores per node or in the values of the consumed static power. The algorithm selects different vector of frequencies according to the 
1246 computations and communication times ratios, and  the values of the static and measured dynamic powers of the CPUs. 
1247 Finally, the proposed algorithm was compared to another method that uses
1248 the well known energy and delay product as an objective function. The comparison results showed 
1249 that the proposed algorithm outperforms the latter by selecting a vector of frequencies that gives a better tradeoff  between energy consumption reduction and performance. 
1250
1251 In the near future, we would like to develop a similar method that is adapted to
1252 asynchronous iterative applications where iterations are not synchronized and communications are overlapped with computations. 
1253  The development of
1254 such a method might require a new energy model because the
1255 number of iterations is not known in advance and depends on
1256 the global convergence of the iterative system.
1257
1258
1259
1260 \section*{Acknowledgment}
1261
1262 This work  has been  partially supported by  the Labex ACTION  project (contract
1263 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations  have been performed  on the Grid'5000 platform. As  a  PhD student,
1264 Mr. Ahmed  Fanfakh, would  like to  thank the University  of Babylon  (Iraq) for
1265 supporting his work.
1266
1267 \section*{References}
1268 \bibliography{my_reference}
1269
1270 \end{document}
1271
1272