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