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Private GIT Repository
corrected the related work and added some remarks in bold
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction in a Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   } 
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79 Computing platforms are consuming more and more energy due to the increase of the number of nodes composing them. To minimize the operating costs of these platforms many techniques have been used. Dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) is one of them, it reduces the frequency of a CPU to lower its energy consumption. However, lowering the frequency of a CPU might increase the execution time of an application running on that processor. Therefore, the frequency that gives the best  tradeoff between the energy consumption and the performance of an application must be selected. 
80
81 In this paper, a new online frequencies selecting algorithm for heterogeneous platforms is presented. It selects the frequency that gives  the best tradeoff between energy saving and
82 performance degradation, for each node computing the message passing iterative application. The algorithm has a small overhead and works without training or profiling.
83 It uses a new energy model for message passing iterative applications running on a heterogeneous platform. 
84 The proposed algorithm was evaluated  on the Simgrid simulator while running the NAS parallel benchmarks.
85 The experiments demonstrated that it reduces the energy consumption up to 35\% while limiting the performance degradation as much as possible.
86 \end{abstract}
87
88 \section{Introduction}
89 \label{sec.intro}
90 The need for more computing power is continually increasing. To partially satisfy this need, most supercomputers constructors just put more computing nodes in their platform. The resulting platform might achieve higher floating point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat dissipation are also increased. As an example, the chinese supercomputer Tianhe-2 had the highest FLOPS in November 2014 according to the Top500 list \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the  most power hungry platform with its over 3 millions cores consuming around 17.8 megawatts.
91 Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 
92 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the price of energy for 1 megawatt-hour 
93 was approximately equal to \$70. 
94 Therefore, the price of the energy consumed by the 
95 Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions each year. 
96 The computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number of FLOPS per watt possible, such as the TSUBAME-KFC at the GSIC center of Tokyo which  
97 became the top of the Green500 list in June 2014 \cite{Green500_List}. 
98 This heterogeneous platform executes more than four  GFLOPS per watt.
99
100  Besides hardware improvements, there are many software techniques to lower the energy consumption of these platforms, such as scheduling, DVFS, ... DVFS is a widely  used process to reduce the energy 
101 consumption of a processor by lowering its frequency. \textbf{put a reference to DVFS} However, it also the reduces the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution time of the application running over that processor.
102 Therefore,  researchers used different optimization strategies to select the frequency that gives the best tradeoff   between the energy reduction and 
103 performance degradation ratio.
104 \textbf{you should talk about the first paper here and say that the algorithm was applied to a homogeneous platform then define what is a heterogeneous platform, you can take it from the firdt paragraph in section 3 }
105
106 In this paper, a frequency selecting algorithm is proposed. It  selects the vector of frequencies for a heterogeneous platform that runs a message passing iterative application,  that gives the maximum energy reduction and minimum 
107 performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has a very small 
108 overhead, works online and does not need any training or profiling.  
109
110 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
111 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
112 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
113 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
114 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
115 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
116 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified.\textbf{the verification should be put here}  
117 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
118 on a heterogeneous platform. It also shows the results of running three 
119 different power scenarios and comparing them. 
120 Finally, we conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
121
122 \textbf{never use we in an article and the algorithm is not heterogeneous! you cannot use scaling factors before defining what they are.}
123 \section{Related works}
124 \label{sec.relwork}
125 DVFS is a technique enabled 
126 in modern processors to scale down both the voltage and the frequency of 
127 the CPU while computing, in order to reduce the energy consumption of the processor. DVFS is 
128 also  allowed in the GPUs to achieve the same goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might degrade the performance of the application running on that processor, especially if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a processor to satisfy some objectives and while taking into account all the constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different strategies to tackle this problem. Some of them used online methods that compute the new frequency while executing the application \textbf{add a reference for an online method here}. Others used offline methods that might need to run the application and profile it before selecting the new frequency \textbf{add a reference for an offline method}. The methods could be heuristics, exact  or brute force methods that satisfy varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be adapted to the execution's environment and the type of the application such as sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous platform,  synchronous or asynchronous application, ... 
129
130 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
131 Some works have already been done for such platforms and it can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
132 \begin{itemize}
133
134 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
135 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
136
137 \end{itemize}
138
139 For the first type of platform, the compute intensive parallel tasks are executed on the  GPUs and the rest are executed 
140 on the CPUs.  Luley et al.
141 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
142 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal was to maximize the 
143 energy efficiency of the platform during computation by maximizing the number of FLOPS per watt generated. 
144 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et al. developed a scheduling 
145 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.
146 In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Rong et al. showed that 
147 a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables DVFS gave better energy and performance 
148 efficiency than other clusters only composed of  CPUs.
149  
150 The work presented in this paper concerns the second type of platform,, with heterogeneous CPUs.
151 Many methods were conceived to reduce the energy consumption of this type of platform.  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling}  
152 developed a method that minimize the value of $energy*delay^2$ by dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. \textbf{should define the delay} Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} propose
153 an algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and 
154 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} 
155 and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS},  a heterogeneous cluster composed of two  types 
156 of Intel and AMD processors. The consumed energy 
157 and the performance for each frequency gear were predicted, then the algorithm selected the best gear that gave 
158 the best tradeoff. \textbf{what energy model they used? what method they used? }
159 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
160  the best frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using some 
161 heuristic. Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic approach to  
162 minimize the power consumption of heterogeneous severs  with time/space complexity \textbf{what does it mean}. This approach 
163 had considerable overhead.
164 In contrast to the above described papers, this paper presents the following contributions :
165 \begin{enumerate}
166 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
167        a heterogeneous platform. Both models takes into account the communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
168        
169 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
170       overhead and does not need for 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 .
171       
172 \end{enumerate}
173
174 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
175 \label{sec.exe}
176
177 % \JC{The whole subsection ``Parallel Tasks Execution on Homogeneous Platform'',
178 %   can be deleted if we need space, we can just say we are interested in this
179 %   paper in homogeneous clusters}
180
181 \subsection{The execution time of message passing distributed 
182                 iterative applications on a heterogeneous platform}
183
184 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
185 passing distributed iterative synchronous applications running over
186 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
187 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
188 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
189 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
190 have the same network bandwidth and latency.
191
192 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
193 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
194 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
195 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
196 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
197 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
198 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
199 task which have the highest computation time and no slack time.
200   
201  \begin{figure}[t]
202   \centering
203     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
204   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
205   \label{fig:heter}
206 \end{figure}
207
208 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
209 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
210 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
211 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
212 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
213 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
214 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
215 as in EQ (\ref{eq:s}).
216 \begin{equation}
217   \label{eq:s}
218  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
219 \end{equation}
220  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
221  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
222  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
223  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
224  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
225  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
226  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
227  The communication time for a task is the summation of  periods of 
228  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
229  till the message is synchronously sent or received.
230
231 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
232 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
233 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
234 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
235 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
236 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
237 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
238 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
239 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
240 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
241 \begin{equation}
242   \label{eq:perf}
243  \textit  T_\textit{new} = 
244  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
245 \end{equation}
246 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
247 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
248 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
249 with scaling factor from each node  added to the communication time of the 
250 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
251 Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is 
252 equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied 
253 by the number of iterations of that application.
254
255 This prediction model is developed from our model for predicting the execution time of 
256 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
257 The execution time prediction model is used in our method for optimizing both 
258 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
259 following sections.
260
261
262 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
263 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
264 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
265 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
266 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
267 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
268 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
269 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
270 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
271 \begin{equation}
272   \label{eq:pd}
273   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
274 \end{equation}
275 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
276 \begin{equation}
277   \label{eq:ps}
278    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
279 \end{equation}
280 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
281 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
282 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
283 to execute a given program can be computed as:
284 \begin{equation}
285   \label{eq:eind}
286    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
287 \end{equation}
288 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
289 time and $Tcp \leq T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
290 communication and no slack time.
291
292 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
293 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
294 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
295 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
296 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
297 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ(\ref{eq:s}).
298 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
299 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
300 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
301 \begin{equation}
302   \label{eq:fnew}
303    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
304 \end{equation}
305 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following 
306 equation for dynamic power consumption:
307 \begin{multline}
308   \label{eq:pdnew}
309    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
310    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
311 \end{multline}
312 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
313 new frequency and the maximum frequency respectively.
314
315 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
316 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
317 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
318 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
319 and is given by the following equation:
320 \begin{equation}
321   \label{eq:Edyn}
322    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
323 \end{equation}
324 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
325 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
326 we assume that the static power of a processor is constant 
327 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
328 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
329 According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
330 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
331 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
332 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
333 \begin{equation}
334   \label{eq:Estatic}
335  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
336 \end{equation}
337
338 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
339 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
340 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
341 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
342 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
343 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
344 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
345 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
346 scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
347 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
348 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
349 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
350 for each  processor.  It is computed as follows:
351 \begin{multline}
352   \label{eq:energy}
353  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
354  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
355   {MinTcm))}
356  \end{multline}
357
358 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
359 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
360 application and thus, increase the static energy because the execution time is
361 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
362 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) 
363 multiplied by the number of iterations of that application.
364
365
366 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
367 \label{sec.compet}
368
369 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
370 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
371 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
372 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
373 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
374 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
375 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
376 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
377 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
378 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
379 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
380 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
381 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
382 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
383 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
384 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
385 between energy consumption and performance. 
386
387 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
388 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
389 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
390 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
391 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
392 execution time by computing the ratio between the new execution time (after 
393 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
394 frequency for all nodes,) as follows:
395 \begin{multline}
396   \label{eq:pnorm}
397   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
398        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
399            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
400 \end{multline}
401
402
403 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy 
404 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
405 \begin{multline}
406   \label{eq:enorm}
407   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
408   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
409  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
410  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
411 \end{multline} 
412 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
413
414  While the main 
415 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
416 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
417 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
418 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
419 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
420 reduction with minimum execution time reduction.  
421
422  
423   
424 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and 
425 execution time follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the 
426 normalized execution time which gives the normalized performance equation, as follows:
427 \begin{multline}
428   \label{eq:pnorm_inv}
429   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
430           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
431             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
432 \end{multline}
433
434
435 \begin{figure}
436   \centering
437   \subfloat[Homogeneous platform]{%
438     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
439   \qquad%
440   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
441     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
442   \label{fig:rel}
443   \caption{The energy and performance relation}
444 \end{figure}
445
446 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
447 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
448 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
449 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
450 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then our objective
451 function has the following form:
452 \begin{equation}
453   \label{eq:max}
454   Max Dist = 
455   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
456       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
457        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
458 \end{equation}
459 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
460 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  
461 Our objective function can work with any energy model or any power values for each node 
462 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
463 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}.
464
465 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
466 \label{sec.optim}
467
468 In this section we  propose algorithm~(\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors 
469 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
470 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
471 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
472 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
473 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
474 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
475 function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
476 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
477 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
478 in the iterative MPI program.
479
480 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
481 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
482 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
483 These periods are called idle or slack times. 
484 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
485 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
486 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
487 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
488 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
489 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
490 computation time of the node $i$ as follows:
491 \begin{equation}
492   \label{eq:Scp}
493  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
494 \end{equation}
495 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
496 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
497 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
498 \begin{equation}
499   \label{eq:Fint}
500  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
501 \end{equation}
502 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
503 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
504 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
505 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
506 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
507 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
508 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
509 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
510 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
511 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
512 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
513 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
514 according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
515 all other nodes by one gear.
516 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
517 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
518 function EQ(\ref{eq:max}).
519
520 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
521 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
522 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
523 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
524 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
525 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
526 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
527 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
528 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
529 which results in bigger energy savings. 
530 \begin{figure}[t]
531   \centering
532     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
533   \caption{Selecting the initial frequencies}
534   \label{fig:st_freq}
535 \end{figure}
536
537
538
539
540 \begin{algorithm}
541   \begin{algorithmic}[1]
542     % \footnotesize
543     \Require ~
544     \begin{description}
545     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
546     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
547     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
548     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
549     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
550     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
551     \end{description}
552     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
553
554     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
555     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
556     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
557     \If{(not the first frequency)}
558           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
559     \EndIf 
560     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
561     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
562     \State $Dist \gets 0$
563     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
564     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
565         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
566         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
567         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
568         \EndIf
569        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
570        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
571                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
572        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
573        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
574       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
575         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
576         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
577       \EndIf
578     \EndWhile
579     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
580   \end{algorithmic}
581   \caption{Heterogeneous scaling algorithm}
582   \label{HSA}
583 \end{algorithm}
584
585 \begin{algorithm}
586   \begin{algorithmic}[1]
587     % \footnotesize
588     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
589       \State Computations section.
590       \State Communications section.
591       \If {$(k=1)$}
592         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
593                communication from each node.
594         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
595         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
596                returned optimal scaling factors.
597         \State Set the new frequencies to nodes.
598       \EndIf
599     \EndFor
600   \end{algorithmic}
601   \caption{DVFS algorithm}
602   \label{dvfs}
603 \end{algorithm}
604
605 \section{Experimental results}
606 \label{sec.expe}
607 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~(\ref{HSA}), 
608 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}. The experiments were executed 
609 on the simulator SimGrid/SMPI v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile} which offers 
610 easy tools to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it. The 
611 heterogeneous platform that was used in the experiments, had one core per node because just one 
612 process was executed per node. The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. 
613 Each type of nodes had different characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
614 available frequencies and the computational power, see table (\ref{table:platform}). The characteristics 
615 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
616 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
617 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
618 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
619 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
620 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
621 dynamic power and the rest was 20\% for the static power, the same assumption  was made in \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. 
622 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
623
624
625 \begin{table}[htb]
626   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
627   % title of Table
628   \centering
629   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
630     \hline
631     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
632     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
633                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
634     \hline
635     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
636                   &           &          &              &                &              &  \\
637     \hline
638     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
639                   &           &          &              &                &              &  \\
640     \hline
641     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
642                   &           &          &              &                &              &  \\
643     \hline
644     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
645                   &           &          &              &                &              &  \\
646     \hline
647   \end{tabular}
648   \label{table:platform}
649 \end{table}
650
651  
652 %\subsection{Performance prediction verification}
653
654
655 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
656 \label{sec.res}
657
658
659 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
660 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
661 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
662 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
663 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
664 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
665
666  
667  
668 \begin{table}[htb]
669   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
670   % title of Table
671   \centering
672   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
673     \hline
674     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
675     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
676     \hline
677     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
678     \hline 
679     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
680    \hline
681     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
682    \hline
683     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
684     \hline
685     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
686    \hline
687     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
688    \hline
689     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
690 \hline 
691   \end{tabular}
692   \label{table:res_4n}
693 \end{table}
694
695 \begin{table}[htb]
696   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
697   % title of Table
698   \centering
699   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
700     \hline
701     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
702     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
703     \hline
704     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
705     \hline 
706     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
707    \hline
708     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
709    \hline
710     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
711     \hline
712     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
713    \hline
714     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
715    \hline
716     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
717 \hline 
718   \end{tabular}
719   \label{table:res_8n}
720 \end{table}
721
722 \begin{table}[htb]
723   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
724   % title of Table
725   \centering
726   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
727     \hline
728     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
729     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
730     \hline
731     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
732     \hline 
733     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
734    \hline
735     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
736    \hline
737     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
738     \hline
739     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
740    \hline
741     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
742    \hline
743     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
744 \hline 
745   \end{tabular}
746   \label{table:res_16n}
747 \end{table}
748
749 \begin{table}[htb]
750   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
751   % title of Table
752   \centering
753   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
754     \hline
755     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
756     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
757     \hline
758     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
759     \hline 
760     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
761    \hline
762     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
763    \hline
764     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
765     \hline
766     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
767    \hline
768     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
769    \hline
770     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
771 \hline 
772   \end{tabular}
773   \label{table:res_32n}
774 \end{table}
775
776 \begin{table}[htb]
777   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
778   % title of Table
779   \centering
780   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
781     \hline
782     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
783     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
784     \hline
785     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
786     \hline 
787     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
788    \hline
789     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
790    \hline
791     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
792     \hline
793     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
794    \hline
795     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
796    \hline
797     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
798 \hline 
799   \end{tabular}
800   \label{table:res_64n}
801 \end{table}
802
803
804 \begin{table}[htb]
805   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
806   % title of Table
807   \centering
808   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
809     \hline
810     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
811     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
812     \hline
813     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
814     \hline 
815     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
816    \hline
817     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
818    \hline
819     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
820     \hline
821     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
822    \hline
823     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
824    \hline
825     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
826 \hline 
827   \end{tabular}
828   \label{table:res_128n}
829 \end{table}
830 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
831 consumption  model EQ(\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
832 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
833 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
834 The results are presented in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
835 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
836 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
837
838 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
839 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
840 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
841 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
842 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
843 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
844 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
845 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
846 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
847 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
848 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
849 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
850 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
851 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
852 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
853 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
854 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
855 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
856 compared to the communication times.  
857
858
859  
860 \begin{figure}
861   \centering
862   \subfloat[Energy saving]{%
863     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
864   \quad%
865   \subfloat[Performance degradation ]{%
866     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
867   \label{fig:avg}
868   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
869 \end{figure}
870
871 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
872 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
873 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the the 
874 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
875 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
876 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
877 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
878 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
879 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
880 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
881
882
883
884
885 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
886 \label{sec.compare}
887 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
888 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
889 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
890 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
891 are the following: 
892
893 \begin{itemize}
894 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
895 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
896 \end{itemize}
897
898 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the the new power scenarios. 
899 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  tables 
900 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}). These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
901 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
902 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
903 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
904 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
905 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
906 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
907 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
908 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy .
909
910 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
911 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
912 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
913 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the the most relevant 
914 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
915 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
916 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
917 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
918 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
919 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
920 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
921 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
922 results in less energy saving but less performance degradation. 
923
924
925  \begin{table}[htb]
926   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
927   % title of Table
928   \centering
929   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
930     \hline
931     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
932     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
933     \hline
934     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
935     \hline 
936     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
937    \hline
938     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
939    \hline
940     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
941     \hline
942     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
943    \hline
944     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
945    \hline
946     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
947 \hline 
948   \end{tabular}
949   \label{table:res_s1}
950 \end{table}
951
952
953
954 \begin{table}[htb]
955   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
956   % title of Table
957   \centering
958   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
959     \hline
960     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
961     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
962     \hline
963     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
964     \hline 
965     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
966    \hline
967     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
968    \hline
969     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
970     \hline
971     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
972    \hline
973     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
974    \hline
975     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
976 \hline 
977   \end{tabular}
978   \label{table:res_s2}
979 \end{table}
980
981
982 \begin{figure}
983   \centering
984   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
985     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
986   \quad%
987   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
988     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
989   \label{fig:comp}
990   \caption{The comparison of the three power scenarios}
991 \end{figure}  
992
993
994
995 \subsection{The verifications of the proposed method}
996 \label{sec.verif}
997 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
998 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
999 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
1000 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
1001 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
1002 execution time was compared to  the real execution time over Simgrid for all  the NAS parallel benchmarks 
1003 running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
1004 the maximum normalized difference between  the predicted execution time  and the real execution time is equal 
1005 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
1006
1007 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
1008 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
1009 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
1010 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
1011 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
1012 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
1013 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 
1014 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
1015 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
1016 vector of frequency scaling factors that gives the results of the sections (\ref{sec.res}) and (\ref{sec.compare}) .
1017
1018 \section{Conclusion}
1019 \label{sec.concl}
1020 In this paper, we have presented a new online heterogeneous scaling algorithm
1021 that selects the best possible vector of frequency scaling factors. This vector 
1022 gives the maximum distance (optimal tradeoff) between the normalized energy and 
1023 the performance curves. In addition, we developed a new energy model for measuring  
1024 and predicting the energy of distributed iterative applications running over heterogeneous 
1025 cluster. The proposed method evaluated on Simgrid/SMPI  simulator to built a heterogeneous 
1026 platform to executes NAS parallel benchmarks. The results of the experiments showed the ability of
1027 the proposed algorithm to changes its behaviour to selects different scaling factors  when 
1028 the number of computing nodes and both of the static and the dynamic powers are changed. 
1029
1030 In the future, we plan to improve this method to apply on asynchronous  iterative applications 
1031 where each task does not wait the others tasks to finish there works. This leads us to develop a new 
1032 energy model to an asynchronous iterative applications, where the number of iterations is not 
1033 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
1034
1035 \section*{Acknowledgment}
1036
1037
1038
1039 % trigger a \newpage just before the given reference
1040 % number - used to balance the columns on the last page
1041 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1042 % the document is modified later
1043 %\IEEEtriggeratref{15}
1044
1045 \bibliographystyle{IEEEtran}
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1047 \end{document}
1048
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