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31
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62
63 \begin{document}
64
65 \title{Energy Consumption Reduction with DVFS for \\
66   Message Passing Iterative Applications on \\
67   Heterogeneous Architectures}
68
69 \author{%
70   \IEEEauthorblockN{%
71     Jean-Claude Charr,
72     Raphaël Couturier,
73     Ahmed Fanfakh and
74     Arnaud Giersch
75   }
76   \IEEEauthorblockA{%
77     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comté\\
78     IUT de Belfort-Montbéliard,
79     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
80     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
81     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
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84   }
85
86 \maketitle
87
88 \begin{abstract}
89   
90
91 \end{abstract}
92
93 \section{Introduction}
94 \label{sec.intro}
95
96
97
98 \section{Related works}
99 \label{sec.relwork}
100
101
102 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
103 \label{sec.exe}
104
105 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative
106   applications on a heterogeneous platform}
107
108 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
109 passing distributed iterative synchronous applications running over
110 heterogeneous grid platforms. A heterogeneous grid platform could be defined as a collection of
111 heterogeneous computing clusters interconnected via a long distance network which has lower bandwidth 
112 and higher latency than the local networks of the clusters. Each computing cluster in the grid is composed of homogeneous nodes that are connected together via high speed network. Therefore, each cluster has different characteristics such as computing power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, network bandwidth and latency.
113
114 \begin{figure}[!t]
115   \centering
116   \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
117   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
118   \label{fig:heter}
119 \end{figure}
120
121 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application 
122 over a heterogeneous grid consists of the sum of the computation time and 
123 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
124 heterogeneous computation power of the computing clusters, slack times may occur
125 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
126 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
127 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task 
128 which has the highest computation time and no slack time.
129
130 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in
131 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling
132 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU
133 and consequently its computing power, the execution time of a program running
134 over that scaled down processor may increase, especially if the program is
135 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling
136 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU
137 as in (\ref{eq:s}).
138 \begin{equation}
139   \label{eq:s}
140   S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
141 \end{equation}
142 The execution time of a compute bound sequential program is linearly
143 proportional to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand, message
144 passing distributed applications consist of two parts: computation and
145 communication.  The execution time of the computation part is linearly
146 proportional to the frequency scaling factor $S$ but the communication time is
147 not affected by the scaling factor because the processors involved remain idle
148 during the communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  The
149 communication time for a task is the summation of periods of time that begin
150 with an MPI call for sending or receiving a message until the message is
151 synchronously sent or received.
152
153 Since in a heterogeneous grid each cluster has different characteristics,
154 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on the nodes 
155 of these clusters, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
156 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ where $S_{ij}$ is the scaling factor of processor $j$ in cluster $i$ . To
157 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
158 applications running over a heterogeneous grid, for different vectors of
159 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
160 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
161 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
162 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
163 \begin{equation}
164   \label{eq:perf}
165   \Tnew = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\TcpOld[ij]} \cdot S_{ij}) 
166   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M}}  (\Tcm[hj])
167 \end{equation}
168
169 where $N$ is the number of  clusters in the grid, $M$ is the number of  nodes in
170 each cluster, $\TcpOld[ij]$ is the computation time of processor $j$ in the cluster $i$ 
171 and $\Tcm[hj]$ is the communication time of processor $j$ in the cluster $h$ during the 
172 first  iteration. The model computes the maximum computation time with scaling factor 
173 from each node added to the communication time of the slowest node in the slowest cluster $h$.
174 It means only the communication time without any slack time is taken into account.  
175 Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
176 the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied by the
177 number of iterations of that application.
178
179 This prediction model is developed from the model to predict the execution time
180 of message passing distributed applications for homogeneous and heterogeneous clusters
181 ~\cite{Our_first_paper,pdsec2015}.  The execution time prediction model is
182 used in the method to optimize both the energy consumption and the performance
183 of iterative methods, which is presented in the following sections.
184
185
186 \subsection{Energy model for heterogeneous grid platform}
187
188 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
189   Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
190   Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by
191 a processor into two power metrics: the static and the dynamic power.  While the
192 first one is consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is
193 only consumed during computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to
194 the switching activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$
195 and operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
196 \begin{equation}
197   \label{eq:pd}
198   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
199 \end{equation}
200 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
201 \begin{equation}
202   \label{eq:ps}
203    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
204 \end{equation}
205 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
206 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
207 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
208 to execute a given program can be computed as:
209 \begin{equation}
210   \label{eq:eind}
211   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
212 \end{equation}
213 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
214 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
215 communication and no slack time.
216
217 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy
218 consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  The operational
219 frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot
220 F$ with some constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the
221 dynamic voltage with respect to various frequency values
222 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction process of the
223 frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the ratio between
224 the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).  The CPU governors are
225 power schemes supplied by the operating system's kernel to lower a core's
226 frequency. The new frequency $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as
227 follows:
228 \begin{equation}
229   \label{eq:fnew}
230    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
231 \end{equation}
232 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following
233 equation for dynamic power consumption:
234 \begin{multline}
235   \label{eq:pdnew}
236    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
237    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
238 \end{multline}
239 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the
240 new frequency and the maximum frequency respectively.
241
242 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
243 $S^{-3}$ when reducing the frequency by a factor of
244 $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is
245 proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased
246 proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the dynamic power multiplied
247 by the new time of computation and is given by the following equation:
248 \begin{equation}
249   \label{eq:Edyn}
250    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp
251 \end{equation}
252 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed
253 during computation and even when idle. As
254 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling},
255 the static power of a processor is considered as constant during idle and
256 computation periods, and for all its available frequencies.  The static energy
257 is the static power multiplied by the execution time of the program.  According
258 to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the
259 program is the sum of the computation and the communication times. The
260 computation time is linearly related to the frequency scaling factor, while this
261 scaling factor does not affect the communication time.  The static energy of a
262 processor after scaling its frequency is computed as follows:
263 \begin{equation}
264   \label{eq:Estatic}
265   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
266 \end{equation}
267
268 In the considered heterogeneous grid platform, each node $j$ in cluster $i$ may have
269 different dynamic and static powers from the nodes of the other clusters, 
270 noted as $\Pd[ij]$ and $\Ps[ij]$ respectively.  Therefore, even if the distributed 
271 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $j$ 
272 in cluster $i$ noted $\Tcp[ij]$ may be different and different frequency scaling factors may be
273 computed in order to decrease the overall energy consumption of the application
274 and reduce slack times.  The communication time of a processor $j$ in cluster $i$ is noted as
275 $\Tcm[ij]$ and could contain slack times when communicating with slower nodes,
276 see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore, all nodes do not have equal
277 communication times. While the dynamic energy is computed according to the
278 frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in
279 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time
280 of one iteration multiplied by the static power of each processor.  The overall
281 energy consumption of a message passing distributed application executed over a
282 heterogeneous grid platform during one iteration is the summation of all dynamic and
283 static energies for $M$ processors in $N$ clusters.  It is computed as follows:
284 \begin{multline}
285   \label{eq:energy}
286  E = \sum_{i=1}^{N} \sum_{i=1}^{M} {(S_{ij}^{-2} \cdot \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])} +  
287  \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot {} \\
288   (\mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\Tcp[ij]} \cdot S_{ij}) 
289   +\mathop{\min_{j=1,\dots M}} (\Tcm[hj]) ))
290 \end{multline}
291
292 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of scaling
293 factors $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ may degrade the performance of the application
294 and thus, increase the static energy because the execution time is
295 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption
296 for the iterative application can be measured by measuring the energy
297 consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) multiplied by the number
298 of iterations of that application.
299
300 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
301 \label{sec.compet}
302
303 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
304 energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic
305 power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its
306 computation power is proportionally decreased. Hence, the execution time might
307 be drastically increased and during that time, dynamic and static powers are
308 being consumed.  Therefore, it might cancel any gains achieved by scaling down
309 the frequency of all nodes to the minimum and the overall energy consumption of
310 the application might not be the optimal one.  It is not trivial to select the
311 appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the
312 characteristics of each processor (computation power, range of frequencies,
313 dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication
314 ratio). The aim being to reduce the overall energy consumption and to avoid
315 increasing significantly the execution time.  In our previous
316 work~\cite{Our_first_paper,pdsec2015}, we proposed a method that selects the optimal
317 frequency scaling factor for a homogeneous and heterogeneous clusters executing a message passing
318 iterative synchronous application while giving the best trade-off between the
319 energy consumption and the performance for such applications.  In this work we
320 are interested in heterogeneous grid as described above.  Due to the
321 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should be selected
322 and it must give the best trade-off between energy consumption and performance.
323
324 The relation between the energy consumption and the execution time for an
325 application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the
326 execution time and the scaling factor, the relation between the energy and the
327 frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer
328 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  Moreover, these relations
329 are not measured using the same metric.  To solve this problem, the execution
330 time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after
331 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with
332 maximum frequency for all nodes) as follows:
333 \begin{equation}
334   \label{eq:pnorm}
335   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}                 
336 \end{equation}
337
338
339 Where $Tnew$ is computed as in (\ref{eq:perf}) and $Told$ is computed as in (\ref{eq:told})
340 \begin{equation}
341   \label{eq:told}
342    \Told = \mathop{\max_{i=1,2,\dots,N}}_{j=1,2,\dots,M} (\Tcp[ij]+\Tcm[ij])             
343 \end{equation}
344 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the
345 consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with
346 maximum frequency for all  nodes:
347 \begin{equation}
348   \label{eq:enorm}
349   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} 
350 \end{equation}
351
352 Where $\Ereduced$  is computed using (\ref{eq:energy}) and $\Eoriginal$ is 
353 computed as in (\ref{eq:eorginal}).
354
355
356 \begin{equation}
357   \label{eq:eorginal}
358     \Eoriginal = \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} ( \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])  + 
359      \mathop{\sum_{i=1}^{N}} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot \Told)       
360 \end{equation}
361
362 While the main goal is to optimize the energy and execution time at the same
363 time, the normalized energy and execution time curves do not evolve (increase/decrease) in the same way. 
364 According to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the
365 vector of frequency scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy
366 and the execution time simultaneously.  But the main objective is to produce
367 maximum energy reduction with minimum execution time reduction.
368
369 This problem can be solved by making the optimization process for energy and
370 execution time follow the same evolution according to the vector of scaling factors
371 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$. Therefore, the equation of the
372 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance
373 equation, as follows:
374 \begin{equation}
375   \label{eq:pnorm_inv}
376   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}          
377 \end{equation}
378
379 \begin{figure}[!t]
380   \centering
381   \subfloat[Homogeneous cluster]{%
382     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
383
384   \subfloat[Heterogeneous grid]{%
385     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
386   \label{fig:rel}
387   \caption{The energy and performance relation}
388 \end{figure}
389
390 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
391 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
392 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
393 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
394 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
395 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
396 \begin{equation}
397   \label{eq:max}
398   \MaxDist =
399 \mathop{  \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}}_{k=1,\dots,F}
400       (\overbrace{\Pnorm(S_{ijk})}^{\text{Maximize}} -
401        \overbrace{\Enorm(S_{ijk})}^{\text{Minimize}} )
402 \end{equation}
403 where $N$ is the number of clusters, $M$ is the number of nodes in each cluster and
404 $F$ is the number of available frequencies for each node.  Then, the optimal set 
405 of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
406 The objective function can work with any energy model or any power 
407 values for each node (static and dynamic powers). However, the most important 
408 energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown 
409 in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
410
411 \section{The scaling factors selection algorithm for  grids }
412 \label{sec.optim}
413
414 \begin{algorithm}
415   \begin{algorithmic}[1]
416     % \footnotesize
417     \Require ~
418     \begin{description}
419     \item [{$N$}] number of clusters in the grid.
420     \item [{$M$}] number of nodes in each cluster.
421     \item[{$\Tcp[ij]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
422     \item[{$\Tcm[ij]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
423     \item[{$\Fmax[ij]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
424     \item[{$\Pd[ij]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
425     \item[{$\Ps[ij]$}] array of the static powers for all nodes.
426     \item[{$\Fdiff[ij]$}] array of the differences between two successive frequencies for all nodes.
427     \end{description}
428     \Ensure $\Sopt[11],\Sopt[12] \dots, \Sopt[NM_i]$,  a vector of scaling factors that gives the optimal tradeoff between energy consumption and execution time
429
430     \State $\Scp[ij] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\max_{j=1,2,\dots,M_i}(\Tcp[ij]))}{\Tcp[ij]} $
431     \State $F_{ij} \gets  \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N},~{j=1,2,\dots,M_i}.$
432     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest  available frequency for each node.
433     \If{(not the first frequency)}
434           \State $F_{ij} \gets F_{ij}+\Fdiff[ij],~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}.$
435     \EndIf
436     \State $\Told \gets $ computed as in equations (\ref{eq:told}).
437     \State $\Eoriginal \gets $ computed as in equations (\ref{eq:eorginal}) .
438     \State $\Sopt[ij] \gets 1,~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}. $
439     \State $\Dist \gets 0 $
440     \While {(all nodes have not reached their  minimum   \newline\hspace*{2.5em} frequency \textbf{or}  $\Pnorm - \Enorm < 0 $)}
441         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
442         \State $F_{ij} \gets F_{ij} - \Fdiff[ij],~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}$.
443         \State $S_{ij} \gets \frac{\Fmax[ij]}{F_{ij}},~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}.$
444         \EndIf
445        \State $\Tnew \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:perf}). 
446        \State $\Ereduced \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:energy}). 
447        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
448        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
449       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
450         \State $\Sopt[ij] \gets S_{ij},~i=1,\dots,N,~j=1,\dots,M_i. $
451         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
452       \EndIf
453     \EndWhile
454     \State  Return $\Sopt[11],\Sopt[12],\dots,\Sopt[NM_i]$
455   \end{algorithmic}
456   \caption{Scaling factors selection algorithm}
457   \label{HSA}
458 \end{algorithm}
459
460 \begin{algorithm}
461   \begin{algorithmic}[1]
462     % \footnotesize
463     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
464       \State Computations section.
465       \State Communications section.
466       \If {$(k=1)$}
467         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
468                communication from each node.
469         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
470         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
471                returned optimal scaling factors.
472         \State Set the new frequencies to nodes.
473       \EndIf
474     \EndFor
475   \end{algorithmic}
476   \caption{DVFS algorithm}
477   \label{dvfs}
478 \end{algorithm}
479
480
481
482 In this section, the scaling factors selection algorithm for  grids, algorithm~\ref{HSA}, is presented. It selects the vector of the frequency
483 scaling factors  that gives the best trade-off between minimizing the
484 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
485 synchronous iterative application executed on a  grid. It works
486 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
487 uses information gathered during the first iteration such as the computation
488 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
489 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
490 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
491 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
492 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
493 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
494 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
495
496 \begin{figure}[!t]
497   \centering
498   \includegraphics[scale=0.45]{fig/init_freq}
499   \caption{Selecting the initial frequencies}
500   \label{fig:st_freq}
501 \end{figure}
502
503 Nodes from distinct clusters in a grid have different computing powers, thus
504 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
505 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
506 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
507 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
508 problem and tries to reduce these slack times when selecting the vector of the frequency
509 scaling factors. At first, it selects initial frequency scaling factors
510 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
511 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
512 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
513 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
514 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
515 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
516 \begin{equation}
517   \label{eq:Scp}
518   \Scp[ij] =  \frac{ \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}(\Tcp[ij])} {\Tcp[ij]}
519 \end{equation}
520 Using the initial frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the
521 algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the
522 maximum frequency of node $i$ and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as
523 follows:
524 \begin{equation}
525   \label{eq:Fint}
526   F_{ij} = \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[ij]},~{i=1,2,\dots,N},~{j=1,\dots,M}
527 \end{equation}
528 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
529 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
530 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing powers in
531 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
532 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
533 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
534 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
535 optimal vector of frequencies because selecting higher frequencies
536 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
537 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
538 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
539 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
540 frequencies until reaching the nodes' minimum frequencies or lower bounds. A node's frequency is considered its lower bound if the computed distance between the energy and performance at this frequency is less than zero.
541 A negative distance means that the performance degradation ratio is higher than the energy saving ratio.
542 In this situation, the algorithm must stop the downward search because it has reached the lower bound and it is useless to test the lower frequencies. Indeed, they will all give worse distances. 
543
544 Therefore, the algorithm iterates on all remaining frequencies, from the higher
545 bound until all nodes reach their minimum frequencies or their lower bounds, to compute the overall
546 energy consumption and performance and selects the optimal vector of the frequency scaling
547 factors. At each iteration the algorithm determines the slowest node
548 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
549 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
550 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
551 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
552 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
553
554 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2} illustrate the normalized performance and
555 consumed energy for an application running on a homogeneous cluster and a
556  grid platform respectively while increasing the scaling factors. It can
557 be noticed that in a homogeneous cluster the search for the optimal scaling
558 factor should start from the maximum frequency because the performance and the
559 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand, in
560 the  grid platform the performance is maintained at the beginning of the
561 plot even if the frequencies of the faster nodes decrease until the computing
562 power of scaled down nodes are lower than the slowest node. In other words,
563 until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher the
564 difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger the
565 maximum distance between the energy curve and the performance curve is, which results in bigger energy savings. 
566
567
568 \section{Experimental results}
569 \label{sec.expe}
570 While in~\cite{pdsec2015} the energy  model and the scaling factors selection algorithm were applied to a heterogeneous cluster and  evaluated over the SimGrid simulator~\cite{SimGrid}, 
571 in this paper real experiments were conducted over the grid'5000 platform. 
572
573 \subsection{Grid'5000 architature and power consumption}
574 \label{sec.grid5000}
575 Grid'5000~\cite{grid5000} is a large-scale testbed that consists of ten sites distributed over all metropolitan France and Luxembourg. All the sites are connected together via         a special long distance network called RENATER,
576 which is the French National Telecommunication Network for Technology.
577 Each site of the grid is composed of few heterogeneous 
578 computing clusters and each cluster contains many homogeneous nodes. In total,
579 grid'5000 has about  one thousand heterogeneous nodes and eight thousand cores.  In each site,
580 the clusters and their nodes are connected via  high speed local area networks. 
581 Two types of local networks are used, Ethernet or Infiniband networks which have  different characteristics in terms of bandwidth and latency.  
582
583 Since grid'5000 is dedicated for testing, contrary to production grids it allows a user to deploy its own customized operating system on all the booked nodes. The user could have root rights and thus apply DVFS operations while executing a distributed application. Moreover, the grid'5000 testbed provides at some sites a power measurement tool to capture 
584 the power consumption  for each node in those sites. The measured power is the overall consumed power by by all the components of a node at a given instant, such as CPU, hard drive, main-board, memory, ...  For more details refer to
585 \cite{Energy_measurement}. To just measure the CPU power of one core in a node $j$, 
586  firstly,  the power consumed by the node while being idle at instant $y$, noted as $\Pidle[jy]$, was measured. Then, the power was measured while running a single thread benchmark with no communication (no idle time) over the same node with its CPU scaled to the maximum available frequency. The latter power measured at time $x$ with maximum frequency for one core of node $j$ is noted $\Pmax[jx]$. The difference between the two measured power consumption represents the 
587 dynamic power consumption of that core with the maximum frequency, see  figure(\ref{fig:power_cons}). 
588
589
590 The dynamic power $\Pd[j]$ is computed as in equation (\ref{eq:pdyn})
591 \begin{equation}
592   \label{eq:pdyn}
593     \Pd[j] = \max_{x=\beta_1,\dots \beta_2} (\Pmax[jx])  -  \min_{y=\Theta_1,\dots \Theta_2} (\Pidle[jy])
594 \end{equation}
595
596 where $\Pd[j]$ is the dynamic power consumption for one core of node $j$, 
597 $\lbrace \beta_1,\beta_2 \rbrace$ is the time interval for the measured maximum power values, 
598 $\lbrace\Theta_1,\Theta_2\rbrace$ is the time interval for the measured  idle power values.
599 Therefore, the dynamic power of one core is computed as the difference between the maximum 
600 measured value in maximum powers vector and the minimum measured value in the idle powers vector.
601
602 On the other hand, the static power consumption by one core is a part of the measured idle power consumption of the node. Since in grid'5000 there is no way to measure precisely the consumed static power and in~\cite{Our_first_paper,pdsec2015,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy} it was assumed that  the static power  represents a ratio of the dynamic power, the value of the static power is assumed as  20\% of dynamic power consumption of the core.
603
604 In the experiments presented in the following sections, two sites of grid'5000 were used, Lyon and Nancy sites. These two sites have in total seven different clusters as in figure (\ref{fig:grid5000}).
605
606 Four clusters from the two sites were selected in the experiments: one cluster from 
607 Lyon's site, Taurus cluster, and three clusters from Nancy's site, Graphene, 
608 Griffon and Graphite. Each one of these clusters has homogeneous nodes inside, while nodes from different clusters are heterogeneous in many aspects such as: computing power, power consumption, available 
609 frequency ranges and local network features: the bandwidth and the latency.  Table \ref{table:grid5000} shows 
610 the details characteristics of these four clusters. Moreover, the dynamic powers were computed  using the equation (\ref{eq:pdyn}) for all the nodes in the 
611 selected clusters and are presented in table  \ref{table:grid5000}.
612
613
614
615
616 \begin{figure}[!t]
617   \centering
618   \includegraphics[scale=1]{fig/grid5000}
619   \caption{The selected two sites of grid'5000}
620   \label{fig:grid5000}
621 \end{figure}
622
623
624 The energy model and the scaling factors selection algorithm were applied to the NAS parallel benchmarks v3.3 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks} and evaluated over grid'5000.
625 The benchmark suite contains seven applications: CG, MG, EP, LU, BT, SP and FT. These applications have different computations and communications ratios and strategies which make them good testbed applications to evaluate the proposed algorithm and energy model.
626 The benchmarks have seven different classes, S, W, A, B, C, D and E, that represent the size of the problem that the method solves. In this work, the class D was used for all benchmarks in all the experiments presented in the next sections. 
627
628
629
630
631 \begin{figure}[!t]
632   \centering
633   \includegraphics[scale=0.6]{fig/power_consumption.pdf}
634   \caption{The power consumption by one core from Taurus cluster}
635   \label{fig:power_cons}
636 \end{figure}
637
638
639
640   
641 \begin{table}[!t]
642   \caption{CPUs characteristics of the selected clusters}
643   % title of Table
644   \centering
645   \begin{tabular}{|*{7}{c|}}
646     \hline
647     Cluster     & CPU         & Max   & Min   & Diff. & no. of cores    & dynamic power   \\
648     Name        & model       & Freq. & Freq. & Freq. & per CPU         & of one core     \\
649                 &             & GHz   & GHz   & GHz   &                 &           \\
650     \hline
651     Taurus      & Intel       & 2.3  & 1.2  & 0.1     & 6               & \np[W]{35} \\
652                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
653                 & E5-2630     &       &       &       &                 &            \\         
654     \hline
655     Graphene    & Intel       & 2.53  & 1.2   & 0.133 & 4               & \np[W]{23} \\
656                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
657                 & X3440       &       &       &       &                 &            \\    
658     \hline
659     Griffon     & Intel       & 2.5   & 2     & 0.5   & 4               & \np[W]{46} \\
660                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
661                 & L5420       &       &       &       &                 &            \\  
662     \hline
663     Graphite    & Intel       & 2     & 1.2   & 0.1   & 8               & \np[W]{35} \\
664                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
665                 & E5-2650     &       &       &       &                 &            \\  
666     \hline
667   \end{tabular}
668   \label{table:grid5000}
669 \end{table} 
670
671
672
673 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
674 \label{sec.res}
675 In this section, the results of the application of the scaling factors selection algorithm \ref{HSA} 
676 to the NAS parallel benchmarks are presented. 
677
678 As mentioned previously, the experiments 
679 were conducted over two sites of grid'5000,  Lyon and Nancy sites. 
680 Two scenarios were considered while selecting the clusters from these two sites :
681 \begin{itemize}
682 \item In the first scenario, nodes from two sites and three heterogeneous clusters were selected. The two sites are connected 
683  via a long distance network.
684 \item In the second scenario nodes from three clusters that are located in one site, Nancy site.  
685 \end{itemize}
686
687 The main reason 
688 behind using these two scenarios is to evaluate the influence of long distance communications (higher latency) on the performance of the 
689 scaling factors selection algorithm. Indeed, in the first scenario the computations to communications ratio 
690 is very low due to the higher communication times which reduces the effect of DVFS operations.
691
692 The NAS parallel benchmarks are executed over 
693 16 and 32 nodes for each scenario. The number of participating computing nodes form each cluster 
694 are different because all the selected clusters do not have the same available number of nodes and all benchmarks do not require the same number of computing nodes.
695 Table \ref{tab:sc} shows the number of nodes used from each cluster for each scenario. 
696
697 \begin{table}[h]
698
699 \caption{The different clusters scenarios}
700 \centering
701 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
702 \hline
703 \multirow{2}{*}{Scenario name}        & \multicolumn{3}{c|} {The participating clusters} \\ \cline{2-4} 
704                                       & Cluster & Site           & No. of  nodes     \\ 
705 \hline
706 \multirow{3}{*}{Two sites / 16 nodes} & Taurus & Lyon                & 5                      \\ \cline{2-4} 
707                                       & Graphene  & Nancy             & 5                      \\ \cline{2-4} 
708                                       & Griffon       & Nancy        & 6                      \\ 
709 \hline
710 \multirow{3}{*}{Tow sites / 32 nodes} & Taurus  & Lyon               & 10                     \\ \cline{2-4} 
711                                       & Graphene  & Nancy             & 10                     \\ \cline{2-4} 
712                                       & Griffon     &Nancy           & 12                     \\ 
713 \hline
714 \multirow{3}{*}{One site / 16 nodes}  & Graphite    & Nancy            & 4                      \\ \cline{2-4} 
715                                       & Graphene     & Nancy           & 6                      \\ \cline{2-4} 
716                                       & Griffon         & Nancy        & 6                      \\ 
717 \hline
718 \multirow{3}{*}{One site / 32 nodes}  & Graphite   & Nancy             & 4                      \\ \cline{2-4} 
719                                       & Graphene      & Nancy          & 12                     \\ \cline{2-4} 
720                                       & Griffon          & Nancy       & 12                       \\ 
721 \hline
722 \end{tabular}
723  \label{tab:sc}
724 \end{table}
725
726 \begin{figure}
727   \centering
728   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_con_scenarios.eps}
729   \caption{The energy consumptions of NAS benchmarks over different scenarios }
730   \label{fig:eng_sen}
731 \end{figure}
732
733
734
735 \begin{figure}
736   \centering
737   \includegraphics[scale=0.5]{fig/time_scenarios.eps}
738   \caption{The execution times of NAS benchmarks over different scenarios }
739   \label{fig:time_sen}
740 \end{figure}
741
742 The NAS parallel benchmarks are executed over these two platforms
743  with different number of nodes, as in Table \ref{tab:sc}. 
744 The overall energy consumption of all the benchmarks solving the class D instance and
745 using the proposed frequency selection algorithm is measured 
746 using the equation of the reduced energy consumption, equation 
747 (\ref{eq:energy}). This model uses the measured dynamic and static 
748 power values  showed in Table \ref{table:grid5000}. The execution
749 time is measured for all the benchmarks over these different scenarios.  
750
751 The energy consumptions  and the execution times for all the benchmarks are 
752 presented in the plots \ref{fig:eng_sen} and \ref{fig:time_sen} respectively. 
753
754 For the majority of the benchmarks, the energy consumed while executing  the NAS benchmarks over one site scenario 
755 for  16 and 32 nodes is lower than the energy consumed while using two sites. 
756 The long distance communications between the two distributed sites increase the idle time, which leads to more static energy consumption. 
757 The execution times of these benchmarks 
758 over one site with 16 and 32 nodes are also lower when  compared to those of the  two sites 
759 scenario.
760
761 However, the  execution times and the energy consumptions of EP and MG benchmarks, which have no or small communications, are not significantly affected 
762  in both scenarios. Even when the number of nodes is doubled. On the other hand, the communications of the rest of the benchmarks increases when using long distance communications between two sites or increasing the number of computing nodes.
763
764 \begin{figure}
765   \centering
766   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_s.eps}
767   \caption{The energy saving of NAS benchmarks over different scenarios }
768   \label{fig:eng_s}
769 \end{figure}
770
771
772 \begin{figure}
773   \centering
774   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_d.eps}
775   \caption{The performance degradation of NAS benchmarks over different scenarios }
776   \label{fig:per_d}
777 \end{figure}
778
779
780 \begin{figure}
781   \centering
782   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist.eps}
783   \caption{The tradeoff distance of NAS benchmarks over different scenarios }
784   \label{fig:dist}
785 \end{figure}
786
787 The energy saving percentage is computed as the ratio between the reduced 
788 energy consumption, equation (\ref{eq:energy}), and the original energy consumption,
789 equation (\ref{eq:eorginal}), for all benchmarks as in figure \ref{fig:eng_s}. 
790 This figure shows that the energy saving percentages of one site scenario for
791 16 and 32 nodes are bigger than those of the two sites scenario which is due
792 to the higher  computations to communications ratio in the first scenario   
793 than in the second one. Moreover, the frequency selecting algorithm selects smaller frequencies when the computations times are bigger than the communication times which 
794 results in  a lower energy consumption. Indeed, the dynamic  consumed power
795 is exponentially related to the CPU's frequency value. On the other side, the increase in the number of computing nodes can 
796 increase the communication times and thus produces less energy saving depending on the 
797 benchmarks being executed. The results of the benchmarks CG, MG, BT and FT show more 
798 energy saving percentage in one site scenario when executed over 16 nodes comparing to 32 nodes. While, LU and SP consume more energy with 16 nodes than 32 in one site  because their computations to communications ratio is not affected by the increase of the number of local communications. 
799
800
801 The energy saving percentage is reduced for all the benchmarks because of the long distance communications in the two sites 
802 scenario, except for the   EP benchmark which has  no communications. Therefore, the energy saving percentage of this benchmark is 
803 dependent on the maximum difference between the computing powers of the heterogeneous computing nodes, for example 
804 in the one site scenario, the graphite cluster is selected but in the two sits scenario 
805 this cluster is replaced with Taurus cluster which is more powerful. 
806 Therefore, the energy saving of EP benchmarks are bigger in the two sites scenario due 
807 to the higher maximum difference between the computing powers of the nodes. 
808
809 In fact, high differences between the nodes' computing powers make the proposed frequencies selecting  
810 algorithm  select smaller frequencies for the powerful nodes which 
811 produces less energy consumption and thus more energy saving.
812 The best energy saving percentage was obtained in the one site scenario with 16 nodes, the energy consumption was on average reduced up to 30\%.
813
814
815 Figure \ref{fig:per_d} presents the performance degradation percentages for all benchmarks over the two scenarios.
816 The performance degradation percentage for the benchmarks running on two sites  with
817 16 or 32  nodes is on average equal to 8\% or 4\% respectively. 
818 For this scenario, the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies for the executions with 32 nodes  without significantly degrading their performance because the communication times are higher with 32 nodes which results in smaller  computations to communications ratio.  On the other hand, the performance degradation percentage  for the benchmarks running  on one site  with
819 16 or 32  nodes is on average equal to 3\% or 10\% respectively. In opposition to the two sites scenario, when the number of computing nodes is increased in the one site scenario, the performance degradation percentage is increased. Therefore, doubling the number of computing 
820 nodes when the communications occur in high speed network does not decrease the computations to 
821 communication ratio. 
822
823
824  Figure \ref{fig:time_sen} presents the execution times for all the benchmarks over the two scenarios. For most of the benchmarks running over the one site scenario, their execution times are approximately divided by two  when the number of computing nodes is doubled from 16 to 32 nodes (linear speed up according to the number of the nodes).  
825 \textcolor{red}{The transition between the execution times to the performance degradation is not clear}
826
827
828 The performance degradation percentage of the EP benchmark after applying the scaling factors selection algorithm is the highest in comparison to 
829 the other benchmarks. Indeed, in the EP benchmark, there are no communication and slack times and its 
830 performance degradation percentage only depends on the frequencies values selected by the algorithm for the computing nodes.
831 The rest of the benchmarks showed different performance degradation percentages, which decrease
832 when the communication times increase and vice versa.
833
834 Figure \ref{fig:dist} presents the  distance percentage between the energy saving  and the performance degradation for each benchmark  over both  scenarios. The tradeoff distance percentage can be 
835 computed as in equation \ref{eq:max}. The one site scenario with 16 nodes gives the best energy and performance 
836 tradeoff, on average it is equal to  26\%. The one site scenario using both 16 and 32 nodes had better energy and performance 
837 tradeoff comparing to the two sites scenario  because the former has high speed local communications 
838 which increase the computations to communications ratio  and the latter uses long distance communications which decrease this ratio. 
839
840
841  Finally, the best energy and performance tradeoff depends on all of the following:
842 1) the computations to communications ratio when there are  communications and slack times, 2) the heterogeneity of the computing powers of the nodes and 3) the heterogeneity of the consumed  static and dynamic powers of the nodes.
843
844
845
846
847 \subsection{The experimental results of multi-cores clusters}
848 \label{sec.res-mc}
849 The  clusters of grid'5000 have different number of cores embedded in their nodes
850 as shown in Table \ref{table:grid5000}. The cores of each node can exchange 
851 data via the shared memory \cite{rauber_book}. In 
852 this section, the proposed scaling algorithm is evaluated over the grid'5000 grid while using multi-core nodes 
853 selected according to the two  platform scenarios described in the section \ref{sec.res}.
854 The two platform scenarios, the two sites and one site scenarios, use  32 
855 cores from multi-cores nodes instead of 32 distinct nodes. For example if 
856 the participating number of cores from a certain cluster is equal to 12, 
857 in the multi-core scenario the selected nodes is equal to 3 nodes while using 
858 4 cores from each node. The platforms with one  
859 core per node and  multi-cores nodes are  shown in Table \ref{table:sen-mc}. 
860 The energy consumptions and execution times of running the NAS parallel 
861 benchmarks, class D, over these four different scenarios are presented 
862 in the figures \ref{fig:eng-cons-mc} and \ref{fig:time-mc} respectively.
863
864 The execution times for most of  the NAS  benchmarks are higher over the one site multi-cores per node scenario 
865  than the execution time of those running over one site single core per node  scenario. Indeed,  
866    the communication times  are higher in the one site multi-cores scenario than in the latter scenario because all the cores of a node  share  the same node network link which can be  saturated when running communication bound applications. On the other hand,  the execution times for most of the NAS benchmarks  are lower over 
867 the two sites  multi-cores scenario than those over the two sites one core scenario. In the two sites multi-cores scenario, There are three types of communications :
868 \begin{itemize}
869 \item between cores on the same node via shared memory 
870 \item between cores from distinct nodes but belonging to the same cluster or site via local network
871 \item between cores from distinct sites via long distance network
872 \end{itemize}
873 The latency of the communications increases from shared memory to LAN to WAN.
874 Therefore, using multi-cores communicating via shared memory
875 has reduced the communication times, and thus the overall execution time is also decreased.
876
877
878
879 The experiments showed that for most of the NAS benchmarks and between the four scenarios,  
880 the one site one core scenario gives the best execution times because the communication times are the lowest. 
881 Indeed, in this scenario each core has a dedicated network link and all the communications are local.  
882 Moreover, the energy consumptions of the NAS benchmarks are lower over the 
883 one site one core scenario  than over the one site multi-cores scenario because 
884 the first scenario had less execution time than the latter which results in less static energy being consumed.
885
886 The computations to communications ratios of the NAS benchmarks are higher over 
887 the one site one core scenario  when compared to the ratios of the other scenarios. 
888 More energy reduction was achieved when this ratio is increased because the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies that decrease the dynamic power consumption. 
889
890  
891   \textcolor{red}{ The next sentence is completely false! It is impossible to have these results!  Whereas, the energy consumption in the two sites multi-cores scenario is higher than the energy consumption 
892 of the two sites one core scenario. 
893 Actually, using multi-cores in this scenario decreased the communication times that decreased the static energy consumption.}
894
895
896 These experiments also showed that the energy 
897 consumption and the execution times of the EP and MG benchmarks do not change significantly over these four 
898 scenarios  because there are no or small communications,  
899 which could increase or decrease the static power consumptions. Contrary to EP and MG, the  energy consumptions 
900 and the execution times of the rest of the  benchmarks  vary according to the  communication times that are different from one scenario to the other.
901
902
903 The energy saving percentages of all NAS benchmarks running over these four scenarios are presented in the figure \ref{fig:eng-s-mc}. It shows that  the energy saving percentages   over the two sites multi-cores scenario 
904 and over the two sites one core scenario are on average  equal to 22\% and 18\%
905 respectively. The energy saving percentages   are higher in the former scenario because  its computations to communications  ratio is higher than the ratio of the latter scenario  as mentioned previously.
906
907
908 In contrast, in the one site one 
909 core and one site multi-cores scenarios the energy saving percentages 
910 are approximately equivalent, on average they are up to 25\%. In both scenarios there 
911 are a small difference  in the computations to communications ratios, which leads 
912 the proposed scaling algorithm to select similar frequencies for both scenarios.  
913
914 The performance degradation percentages of the NAS benchmarks are presented in
915 figure \ref{fig:per-d-mc}. It shows that the performance degradation percentages for the NAS benchmarks are higher over the two sites 
916 multi-cores scenario than over the  two sites  one core scenario, equal on average to 7\% and 4\% respectively. 
917 Moreover, using the two sites multi-cores scenario increased 
918 the computations to communications ratio, which may increase 
919 the overall execution time  when the proposed scaling algorithm is applied and the frequencies scaled down.  
920
921
922 When the benchmarks are executed  over the one 
923 site one core scenario, their performance degradation percentages are equal  on average
924 to 10\% and are higher than those executed over the one site multi-cores scenario, 
925 which on average is equal to 7\%. 
926
927 \textcolor{red}{the next sentence is completely false! 
928 The higher performance degradation percentages over the first scenario is due to the use of multi-cores which 
929 decreases the computations to communications ratio. Therefore, selecting small 
930 frequencies by the scaling algorithm do not increase the execution time significantly. }
931
932
933 The tradeoff distance percentages of the NAS 
934 benchmarks over all scenarios are presented in the figure \ref{fig:dist-mc}.
935 These  tradeoff distance percentages are used to verify which scenario is the best in terms of energy reduction and performance. The figure shows that using muti-cores in both of the one site and two sites scenarios gives bigger  tradeoff distance percentages, on overage equal to 17.6\% and 15.3\% respectively, than using one core per node in both of one site and two sites scenarios,  on average  equal to 14.7\% and 13.3\% respectively. 
936
937 \begin{table}[]
938 \centering
939 \caption{The multicores scenarios}
940
941 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
942 \hline
943 Scenario name                          & Cluster name & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  nodes\\ in each cluster\end{tabular} & 
944                                        \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  cores\\ for each node\end{tabular}  \\ \hline
945 \multirow{3}{*}{Two sites/ one core}   & Taurus       & 10              & 1                   \\ \cline{2-4}
946                                        & Graphene     & 10              & 1                   \\ \cline{2-4}
947                                        & Griffon      & 12              & 1                   \\ \hline
948 \multirow{3}{*}{Two sites/ multicores} & Taurus       & 3               & 3 or 4              \\ \cline{2-4}
949                                        & Graphene     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
950                                        & Griffon      & 3               & 4                   \\ \hline
951 \multirow{3}{*}{One site/ one core}    & Graphite     & 4               & 1                   \\  \cline{2-4}
952                                        & Graphene     & 12              & 1                   \\  \cline{2-4}
953                                        & Griffon      & 12              & 1                   \\ \hline
954 \multirow{3}{*}{One site/ multicores}  & Graphite     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
955                                        & Graphene     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
956                                        & Griffon      & 3               & 4                   \\ \hline
957 \end{tabular}
958 \label{table:sen-mc}
959 \end{table}
960
961 \begin{figure}
962   \centering
963   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_con.eps}
964   \caption{Comparing the  energy consumptions of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
965   \label{fig:eng-cons-mc}
966 \end{figure}
967
968
969   \begin{figure}
970   \centering
971   \includegraphics[scale=0.5]{fig/time.eps}
972   \caption{Comparing the  execution times of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
973   \label{fig:time-mc}
974 \end{figure}
975
976  \begin{figure}
977   \centering
978   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_s_mc.eps}
979   \caption{The energy saving of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
980   \label{fig:eng-s-mc}
981 \end{figure}
982
983 \begin{figure}
984   \centering
985   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_d_mc.eps}
986   \caption{The performance degradation of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
987   \label{fig:per-d-mc}
988 \end{figure}
989
990 \begin{figure}
991   \centering
992   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist_mc.eps}
993   \caption{The tradeoff distance of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
994   \label{fig:dist-mc}
995 \end{figure}
996
997 \subsection{The results of using different static power consumption scenarios}
998 \label{sec.pow_sen}
999 \textcolor{blue}{
1000 The static power consumption for one core is the leakage power
1001 consumption when it is idle. The measured static  power of the node, 
1002 as in section \ref{sec.grid5000}, had a collection of power values such as 
1003 all cores static powers and the power consumptions of the other devices. Furthermore, the static power for one core is hard to measured precisely. On the other hand,  the core has consumed the static power during 
1004 the communication and computation times.  However, the static power consumption becomes more important  when the execution time is
1005 increased using DVFS. Therefore, the objective of this section is to verify the ability of the proposed 
1006 scaling algorithm to select the best frequencies when the static power consumption is changing. 
1007 All the results obtained in the previous sections depend on the measured dynamic power 
1008 consumptions as in table \ref{table:grid5000}. Moreover, the static power consumption for one core is represented by 20\% of the measured dynamic power consumption. 
1009 This assumption is extended in this section to taking into account other ratios for the static power consumption.
1010 In addition to the previous ratio of the static power consumption, two other static power ratios are used, which are 10\% and 30\% of the measured dynamic power of the core.
1011 As a result, all of these static power scenarios is denoted as follow: 
1012 \begin{itemize}
1013 \item 10\% of static power scenario 
1014 \item 20\% of static power scenario 
1015 \item 30\% of static power scenario 
1016 \end{itemize}
1017 The NAS parallel benchmarks, class D, are executed over Nancy site. 
1018 The number of computing nodes used is 16 nodes distributed between three cluster, which are Graphite, Graphene and Griffon.  The NAS benchmarks rerun
1019 with these two new static power scenarios over one site scenario
1020 using one core per node. }
1021
1022  \begin{figure}
1023   \centering
1024   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_pow.eps}
1025   \caption{The energy saving percentages for NAS benchmarks of the three power scenario}
1026   \label{fig:eng-pow}
1027 \end{figure}
1028
1029 \begin{figure}
1030   \centering
1031   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_pow.eps}
1032   \caption{The performance degradation percentages for NAS benchmarks of the three power scenario}
1033   \label{fig:per-pow}
1034 \end{figure}
1035
1036
1037 \begin{figure}
1038   \centering
1039   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist_pow.eps}
1040   \caption{The tradeoff distance for NAS benchmarks of the three power scenario}
1041   \label{fig:dist-pow}
1042 \end{figure}
1043
1044 \begin{figure}
1045   \centering
1046   \includegraphics[scale=0.47]{fig/three_scenarios.pdf}
1047   \caption{Comparing the selected frequency scaling factors of MG benchmark for three static power scenarios}
1048   \label{fig:fre-pow}
1049 \end{figure}
1050
1051 \textcolor{blue}{
1052 The energy saving percentages of NAS benchmarks with these three static power scenarios are presented 
1053 in figure \ref{fig:eng_sen}. This figure shows that  10\% of static power scenario 
1054 gives the biggest energy saving percentage comparing to 20\% and 30\% static power 
1055 scenarios. The smaller ratio of the static power consumption makes the proposed 
1056 scaling algorithm to select smaller frequencies, bigger scaling factors. 
1057 These smaller frequencies has reduced the dynamic energy consumption and thus the 
1058 overall energy consumption is decreased. 
1059 The energy saving percentages of 30\% static power scenario is the smallest between the other scenarios, because of the scaling algorithm selects bigger frequencies, smaller scaling factors, that increased the energy consumption. For example, figure \ref{fig:fre-pow}, illustrates that the proposed scaling algorithm is proportionally selected the best frequency scaling factors according to the static power consumption ratio being used.
1060 Furthermore, the proposed scaling algorithm tries to limit selecting smaller frequencies, which increased the execution time. Hence, the increase in the execution time is relatively increased the static energy consumption.
1061 The performance degradation percentages are presented in the figure \ref{fig:per-pow},
1062 the 30\% of static power scenario had less performance degradation percentage. This  because
1063 bigger frequencies was selected due to the big ratio in the static power consumption.
1064 The inverse happens in the 20\% and 30\% scenarios, the scaling algorithm is selecting
1065 smaller frequencies, bigger scaling factors, according to the ratio of the static power.
1066 The tradeoff distance percentage for the NAS benchmarks with these three static power scenarios 
1067 are presented in the figure \ref{fig:dist}. It shows that the tradeoff
1068 distance percentage is the best when the  10\% of static power scenario is used, and this percentage 
1069 is decreased for the other two scenarios propositionally to their static power ratios.
1070 In EP benchmark, the results of energy saving, performance degradation and tradeoff 
1071 distance are showed small differences when the these static power scenarios were used.
1072 The absent of the communications in this benchmark made the proposed scaling algorithm to select equivalent frequencies even if the static power values are different. While, the 
1073 inverse has been shown  for the rest of the benchmarks, which have  different communication times
1074 that increased the static energy consumption proportionally. Therefore, the scaling algorithm relatively selects 
1075 different frequencies for each benchmark when these static power scenarios are used. }
1076
1077  
1078 \subsection{The comparison of the proposed frequencies selecting algorithm }
1079 \label{sec.compare_EDP}
1080 \textcolor{blue}{
1081 The tradeoff between the energy consumption and the performance of the parallel 
1082 applications had significant importance in the domain of the research. 
1083 Many researchers, \cite{EDP_for_multi_processors,Energy_aware_application_scheduling,Exploring_Energy_Performance_TradeOffs},
1084 have optimized the tradeoff between the energy and the performance using the well known  energy and delay product, $EDP=energy \times delay$. 
1085 This model is also used by Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS},
1086 the  objective is to select the frequencies that minimized EDP product for the multi-cores 
1087 architecture when DVFS is used. Moreover, their algorithm is applied online, which synchronously optimized the energy consumption 
1088 and the execution time. Both energy consumption and execution time of a processor are predicted by the their algorithm.
1089 In this section the proposed frequencies selection algorithm, called Maxdist is compared with Spiliopoulos et al. algorithm, called EDP.
1090 To make both of the algorithms follow the same direction and  fairly  comparing them, the same energy model,  equation \ref{eq:energy} and
1091 the execution time model, equation \ref{eq:perf}, are used in the prediction process to select the best vector of the frequencies. 
1092 In contrast, the proposed algorithm starts the search space from the lower bound computed as in equation the  \ref{eq:Fint}. Also, the algorithm
1093 stops  the search process when it is reached to the lower bound as mentioned before. In the same way, the EDP algorithm is developed to start from the 
1094 same upper bound used in Maxdist algorithm, and it stops the search process when  a minimum available frequencies is reached. 
1095 Finally, the resulting EDP algorithm is an exhaustive search algorithm that test all possible frequencies, starting from the initial frequencies, 
1096 and selecting those minimized the EDP product.
1097 Both algorithms were applied to NAS benchmarks, class D, over 16 nodes selected from grid'5000 clusters.
1098 The participating computing nodes are distributed between two sites and one site to have two different scenarios that used in the section \ref{sec.res}. 
1099 The experimental results: the energy saving, performance degradation and tradeoff distance percentages are 
1100 presented in the figures \ref{fig:edp-eng}, \ref{fig:edp-perf} and \ref{fig:edp-dist} respectively. 
1101 \begin{figure}
1102   \centering
1103   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_eng}
1104   \caption{Comparing of the energy saving for the proposed method with EDP method}
1105   \label{fig:edp-eng}
1106 \end{figure}
1107 \begin{figure}
1108   \centering
1109   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_per}
1110   \caption{Comparing of the performance degradation for the proposed method with EDP method}
1111   \label{fig:edp-perf}
1112 \end{figure}
1113 \begin{figure}
1114   \centering
1115   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_dist}
1116   \caption{Comparing of the tradeoff distance for the proposed method with EDP method}
1117   \label{fig:edp-dist}
1118 \end{figure}
1119 As shown form these figures, the proposed frequencies selection algorithm, Maxdist, outperform the EDP algorithm in term of energy and performance for all of the benchmarks executed over the two scenarios. 
1120 Generally, the proposed algorithm gives better results for all benchmarks because it is
1121 optimized the distance between the energy saving and the performance degradation in the same time. 
1122 Moreover, the proposed scaling algorithm gives the same weight for these two metrics.
1123 Whereas, the EDP algorithm gives some times negative tradeoff values for some benchmarks in the two sites scenarios.
1124 These negative tradeoff values mean that the performance degradation percentage is higher than energy saving percentage.
1125 The higher positive value of the tradeoff distance percentage mean that the  energy saving percentage is much higher than the performance degradation percentage. 
1126 The time complexity of both Maxdist and EDP algorithms are $O(N \cdot M \cdot F)$ and 
1127 $O(N \cdot M \cdot F^2)$ respectively. Where $N$ is the number of the clusters, $M$ is the number of nodes and $F$ is the 
1128 maximum number of available frequencies. The proposed algorithm, Maxdist, has selected the best frequencies in a small execution time, 
1129 on average is equal to  0.01 $ms$, when it is executed over 32 nodes distributed between Nancy and Lyon sites.
1130 While the EDP algorithm was slower than Maxdist algorithm by ten times over the same number of nodes and same distribution, its execution time on average 
1131 is equal to 0.1 $ms$. 
1132 }
1133
1134
1135 \section{Conclusion}
1136 \label{sec.concl}
1137
1138
1139
1140 \section*{Acknowledgment}
1141
1142 This work  has been  partially supported by  the Labex ACTION  project (contract
1143 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations  have been performed  on the supercomputer
1144 facilities  of the  Mésocentre de  calcul de  Franche-Comté. As  a  PhD student,
1145 Mr. Ahmed  Fanfakh, would  like to  thank the University  of Babylon  (Iraq) for
1146 supporting his work.
1147
1148 % trigger a \newpage just before the given reference
1149 % number - used to balance the columns on the last page
1150 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1151 % the document is modified later
1152 %\IEEEtriggeratref{15}
1153
1154 \bibliographystyle{IEEEtran}
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1156 \end{document}
1157
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