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59
60 \begin{document} 
61
62 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
63  
64 \author{% 
65   \IEEEauthorblockN{%
66     Jean-Claude Charr,
67     Raphaël Couturier,
68     Ahmed Fanfakh and
69     Arnaud Giersch
70   } 
71   \IEEEauthorblockA{%
72     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comte\\
73     IUT de Belfort-Montbéliard,
74     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
75     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
76     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
77     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
78    }
79   }
80
81 \maketitle
82
83 \begin{abstract}
84 Computing platforms  are consuming  more and more  energy due to  the increasing
85 number  of nodes  composing  them.  To  minimize  the operating  costs of  these
86 platforms many techniques have been  used. Dynamic voltage and frequency scaling
87 (DVFS) is  one of them. It  reduces the frequency of  a CPU to  lower its energy
88 consumption.  However,  lowering the  frequency  of  a  CPU might  increase  the
89 execution  time of  an application  running on  that processor.   Therefore, the
90 frequency that  gives the best trade-off  between the energy  consumption and the
91 performance of an application must be selected.
92
93 In this paper, a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous
94 platforms is presented.  It selects the frequencies and tries to give the best
95 trade-off between energy saving and performance degradation, for each node
96 computing the message passing iterative application. The algorithm has a small
97 overhead and works without training or profiling. It uses a new energy model for
98 message passing iterative applications running on a heterogeneous platform. The
99 proposed algorithm is evaluated on the SimGrid simulator while running the NAS
100 parallel benchmarks.  The experiments show that it reduces the energy
101 consumption by up to \np[\%]{35} while limiting the performance degradation as
102 much as possible.  Finally, the algorithm is compared to an existing method, the
103 comparison results showing that it outperforms the latter.
104
105 \end{abstract}
106
107 \section{Introduction}
108 \label{sec.intro}
109 The  need for  more  computing  power is  continually  increasing. To  partially
110 satisfy  this need,  most supercomputers  constructors just  put  more computing
111 nodes in their  platform. The resulting platforms might  achieve higher floating
112 point operations  per second  (FLOPS), but the  energy consumption and  the heat
113 dissipation  are  also increased.   As  an  example,  the Chinese  supercomputer
114 Tianhe-2 had  the highest FLOPS  in November 2014  according to the  Top500 list
115 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was  also the most power hungry
116 platform  with  its  over  3  million cores  consuming  around  17.8  megawatts.
117 Moreover,    according   to    the    U.S.    annual    energy   outlook    2014
118 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the  price of energy  for 1 megawatt-hour
119 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
120 the Tianhe-2  platform is approximately more  than \$10 million  each year.  The
121 computing platforms must  be more energy efficient and  offer the highest number
122 of FLOPS  per watt  possible, such as  the L-CSC  from the GSI  Helmholtz Center
123 which became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}.
124 This heterogeneous platform executes more than 5 GFLOPS per watt while consuming
125 57.15 kilowatts.
126
127 Besides platform  improvements, there are many software  and hardware techniques
128 to lower  the energy consumption of  these platforms, such  as scheduling, DVFS,
129 \dots{}  DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
130 processor            by             lowering            its            frequency
131 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
132 the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution
133 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
134 different optimization  strategies to select  the frequency that gives  the best
135 trade-off  between the  energy reduction  and performance  degradation  ratio. In
136 \cite{Our_first_paper}, a  frequency selecting algorithm was  proposed to reduce
137 the energy  consumption of message  passing iterative applications  running over
138 homogeneous platforms.  The results of  the experiments show  significant energy
139 consumption  reductions. In  this  paper, a  new  frequency selecting  algorithm
140 adapted  for heterogeneous  platform  is  presented. It  selects  the vector  of
141 frequencies, for  a heterogeneous platform  running a message  passing iterative
142 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
143 minimum performance degradation ratio. The  algorithm has a very small overhead,
144 works online and does not need any training or profiling.
145
146 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
147 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
148 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
149 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
150 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
151 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
152 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
153 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
154 on a heterogeneous platform. It shows the results of running three 
155 different power scenarios and comparing them. Moreover, it also shows the comparison results
156 between the proposed method and an existing method.
157 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.
158
159 \section{Related works}
160 \label{sec.relwork}
161 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
162 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
163 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
164 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might
165 degrade the performance of the application running on that processor, especially
166 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
167 processor to satisfy some objectives while taking into account all the
168 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
169 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
170 compute the new frequency while executing the application, such
171 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
172 Others used offline methods that might need to run the application and profile
173 it before selecting the new frequency, such
174 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
175 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
176 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
177 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
178 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
179 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
180
181 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
182 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
183 \begin{itemize}
184
185 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
186 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
187
188 \end{itemize}
189
190 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
191 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
192 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
193 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
194 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
195 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
196 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
197 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
198 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
199 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
200 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
201 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
202 composed of CPUs.
203  
204 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
205 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
206 consumption of this type of platform.  Naveen et
207 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
208 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
209 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
210 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster.
211 Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an
212 algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and non
213 critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
214 proportionally to their slack and communication times while limiting the
215 performance degradation percentage to less than \np[\%]{10}.
216 In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
217 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
218 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
219 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
220 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
221 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
222 some heuristic.  Chen et
223 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
224 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
225 while respecting given time constraints.  This approach had considerable
226 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
227 following contributions :
228 \begin{enumerate}
229 \item two new energy and performance models for message passing iterative
230   synchronous applications running over a heterogeneous platform. Both models
231   take into account communication and slack times. The models can predict the
232   required energy and the execution time of the application.
233        
234 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous
235   platforms. The algorithm has a very small overhead and does not need any
236   training or profiling. It uses a new optimization function which
237   simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption
238   of a message passing iterative synchronous application.
239       
240 \end{enumerate}
241
242 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
243 \label{sec.exe}
244
245
246
247 \subsection{The execution time of message passing distributed 
248                 iterative applications on a heterogeneous platform}
249
250 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
251 passing distributed iterative synchronous applications running over
252 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
253 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
254 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
255 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
256 have the same network bandwidth and latency.
257
258 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application
259 over a heterogeneous platform consists of the sum of the computation time and
260 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
261 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur
262 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
263 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
264 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task
265 which has the highest computation time and no slack time.
266   
267  \begin{figure}[!t]
268   \centering
269    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
270   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
271   \label{fig:heter}
272 \end{figure}
273
274 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
275 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
276 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
277 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
278 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
279 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
280 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
281 as in (\ref{eq:s}).
282 \begin{equation}
283   \label{eq:s}
284  S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
285 \end{equation}
286  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
287  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
288  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
289  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
290  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
291  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
292  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
293  The communication time for a task is the summation of  periods of 
294  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
295  until the message is synchronously sent or received.
296
297 Since in a heterogeneous platform each node has different characteristics,
298 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
299 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
300 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
301 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
302 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
303 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
304 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
305 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
306 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
307 \begin{equation}
308   \label{eq:perf}
309   \Tnew = \max_{i=1,2,\dots,N} ({\TcpOld[i]} \cdot S_{i}) +  \MinTcm
310 \end{equation}
311 Where:
312 \begin{equation}
313 \label{eq:perf2}
314  \MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (\Tcm[i])
315 \end{equation}
316 where  $\TcpOld[i]$ is  the computation  time of  processor $i$  during  the first
317 iteration and $\MinTcm$  is the communication time of  the slowest processor from
318 the  first iteration.   The model  computes  the maximum  computation time  with
319 scaling factor  from each node  added to the  communication time of  the slowest
320 node. It means only the communication  time without any slack time is taken into
321 account.  Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
322 the  execution time of  one iteration  as in  (\ref{eq:perf}) multiplied  by the
323 number of iterations of that application.
324
325 This prediction model is developed from  the model to predict the execution time
326 of     message    passing     distributed    applications     for    homogeneous
327 architectures~\cite{Our_first_paper}.   The execution  time prediction  model is
328 used in  the method  to optimize both the energy consumption and the performance of
329 iterative methods, which is presented in the following sections.
330
331
332 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
333 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
334 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
335 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
336 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
337 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
338 computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to the switching
339 activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$ and
340 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
341 \begin{equation}
342   \label{eq:pd}
343   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
344 \end{equation}
345 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
346 \begin{equation}
347   \label{eq:ps}
348    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
349 \end{equation}
350 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
351 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
352 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
353 to execute a given program can be computed as:
354 \begin{equation}
355   \label{eq:eind}
356   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
357 \end{equation}
358 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
359 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
360 communication and no slack time.
361
362 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
363 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
364 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
365 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
366 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
367 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
368 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
369 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
370 $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
371 \begin{equation}
372   \label{eq:fnew}
373    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
374 \end{equation}
375 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
376 equation for dynamic power consumption:
377 \begin{multline}
378   \label{eq:pdnew}
379    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
380    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
381 \end{multline}
382 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the 
383 new frequency and the maximum frequency respectively.
384
385 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
386 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
387 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
388 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
389 and is given by the following equation:
390 \begin{equation}
391   \label{eq:Edyn}
392    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp 
393 \end{equation}
394 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
395 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
396  the static power of a processor is considered as constant 
397 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
398 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
399 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
400 is the sum of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
401 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
402 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
403 \begin{equation}
404   \label{eq:Estatic}
405   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
406 \end{equation}
407
408 In  the  considered  heterogeneous  platform,  each  processor  $i$  might  have
409 different   dynamic  and  static   powers,  noted   as  $\Pd[i]$   and  $\Ps[i]$
410 respectively.  Therefore,  even if  the  distributed  message passing  iterative
411 application  is  load balanced,  the  computation time  of  each  CPU $i$  noted
412 $\Tcp[i]$ might  be different and  different frequency scaling factors  might be
413 computed in order to decrease  the overall energy consumption of the application
414 and reduce slack  times.  The communication time of a processor  $i$ is noted as
415 $\Tcm[i]$  and could  contain slack  times when  communicating  with slower
416 nodes,  see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore,  all nodes  do  not have  equal
417 communication  times. While  the dynamic  energy  is computed  according to  the
418 frequency  scaling   factor  and   the  dynamic  power   of  each  node   as  in
419 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed  as the sum of the execution time
420 of  one iteration multiplied  by the static  power of  each processor.   The overall
421 energy consumption of a message  passing distributed application executed over a
422 heterogeneous platform during one iteration  is the summation of all dynamic and
423 static energies for each processor.  It is computed as follows:
424 \begin{multline}
425   \label{eq:energy}
426  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} + {} \\
427  \sum_{i=1}^{N} (\Ps[i] \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) +
428   {\MinTcm))}
429  \end{multline}
430
431 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
432 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
433 application and thus, increase the static energy because the execution time is
434 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
435 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
436 multiplied by the number of iterations of that application.
437
438
439 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
440 \label{sec.compet}
441
442 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
443 energy efficient  execution of an  application. Indeed, even though  the dynamic
444 power  is  reduced  while  scaling  down  the  frequency  of  a  processor,  its
445 computation power  is proportionally decreased. Hence, the  execution time might
446 be drastically  increased and  during that time,  dynamic and static  powers are
447 being consumed.  Therefore,  it might cancel any gains  achieved by scaling down
448 the frequency of all nodes to  the minimum and the overall energy consumption of
449 the application might not  be the optimal one.  It is not  trivial to select the
450 appropriate frequency  scaling factor for  each processor while  considering the
451 characteristics  of each  processor  (computation power,  range of  frequencies,
452 dynamic  and static  powers)  and the  task executed  (computation/communication
453 ratio). The  aim being  to reduce  the overall energy  consumption and  to avoid
454 increasing    significantly    the    execution    time.   In    our    previous
455 work~\cite{Our_first_paper},  we  proposed a  method  that  selects the  optimal
456 frequency scaling factor  for a homogeneous cluster executing  a message passing
457 iterative synchronous  application while giving  the best trade-off  between the
458 energy consumption and  the performance for such applications.   In this work we
459 are  interested  in heterogeneous  clusters  as  described  above.  Due  to  the
460 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should
461 be selected and  it must give the best trade-off  between energy consumption and
462 performance.
463
464 The  relation between  the  energy consumption  and  the execution  time for  an
465 application  is complex  and nonlinear,  Thus, unlike  the relation  between the
466 execution time and  the scaling factor, the relation between  the energy and the
467 frequency   scaling    factors   is   nonlinear,   for    more   details   refer
468 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.   Moreover,  these relations
469 are not  measured using the same  metric.  To solve this  problem, the execution
470 time is normalized by computing the  ratio between the new execution time (after
471 scaling  down the  frequencies of  some processors)  and the  initial  one (with
472 maximum frequency for all nodes) as follows:
473 \begin{multline}
474   \label{eq:pnorm}
475   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}\\
476        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) +\MinTcm}
477            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp[i]+\Tcm[i])}}
478 \end{multline}
479
480
481 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
482 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
483 \begin{multline}
484   \label{eq:enorm}
485   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} \\
486   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} +
487  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \Tnew)}}{\sum_{i=1}^{N}{( \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} +
488  \sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \Told)}}
489 \end{multline} 
490 Where $\Ereduced$ and $\Eoriginal$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
491   $\Tnew$ and $\Told$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
492
493 While the main 
494 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
495 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
496 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
497 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
498 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
499 reduction with minimum execution time reduction.  
500   
501 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
502 execution time following the same direction.  Therefore, the equation of the 
503 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
504 \begin{multline}
505   \label{eq:pnorm_inv}
506   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}\\
507           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(\Tcp[i]+\Tcm[i])}}
508             { \max_{i=1,2,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) + \MinTcm} 
509 \end{multline}
510
511
512 \begin{figure}[!t]
513   \centering
514   \subfloat[Homogeneous platform]{%
515     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
516   
517   
518   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
519     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
520   \label{fig:rel}
521   \caption{The energy and performance relation}
522 \end{figure}
523
524 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
525 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
526 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
527 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
528 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
529 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
530 \begin{equation}
531   \label{eq:max}
532   \MaxDist = 
533   \mathop{\max_{i=1,\dots F}}_{j=1,\dots,N}
534       (\overbrace{\Pnorm(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
535        \overbrace{\Enorm(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
536 \end{equation}
537 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
538 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
539 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
540 (static and dynamic powers). However, the most important energy reduction gain can be achieved when 
541 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}.
542
543 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
544 \label{sec.optim}
545
546 \subsection{The algorithm details}
547 In this section, Algorithm~\ref{HSA} is presented. It selects the frequency
548 scaling factors vector that gives the best trade-off between minimizing the
549 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
550 synchronous iterative application executed on a heterogeneous platform. It works
551 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
552 uses information gathered during the first iteration such as the computation
553 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
554 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
555 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
556 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
557 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
558 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
559 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
560
561 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus
562 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
563 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
564 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
565 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
566 problem and tries to reduce these slack times when selecting the frequency
567 scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors
568 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
569 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
570 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
571 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
572 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
573 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
574 \begin{equation}
575   \label{eq:Scp}
576  \Scp[i] = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp[i])}{\Tcp[i]}
577 \end{equation}
578 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
579 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
580 and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as follows:
581 \begin{equation}
582   \label{eq:Fint}
583  F_{i} = \frac{\Fmax[i]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\dots,N}
584 \end{equation}
585 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
586 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
587 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing power in
588 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
589 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
590 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
591 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
592 optimal vector of frequencies because selecting frequency scaling factors higher
593 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
594 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
595 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
596 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
597 frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher
598 bound until all nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall
599 energy consumption and performance, and select the optimal frequency scaling
600 factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node
601 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
602 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
603 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
604 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
605 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
606
607 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}  illustrate the normalized performance and
608 consumed  energy for  an application  running on  a homogeneous  platform  and a
609 heterogeneous platform respectively while increasing the scaling factors. It can
610 be noticed  that in a  homogeneous platform the  search for the  optimal scaling
611 factor should start  from the maximum frequency because  the performance and the
612 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand,
613 in the heterogeneous platform the  performance is maintained at the beginning of
614 the plot  even if the  frequencies of the  faster nodes decrease  until the
615 computing power of scaled down  nodes are lower than the slowest  node. In other
616 words, until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher
617 the difference between the faster nodes  and the slower nodes is, the bigger the
618 maximum distance  between the  energy curve and  the performance curve  is while
619  the scaling factors are varying which results in bigger energy savings.
620 \begin{figure}[!t]
621   \centering
622     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
623   \caption{Selecting the initial frequencies}
624   \label{fig:st_freq}
625 \end{figure}
626
627
628
629
630 \begin{algorithm}
631   \begin{algorithmic}[1]
632     % \footnotesize
633     \Require ~
634     \begin{description}
635     \item[{$\Tcp[i]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
636     \item[{$\Tcm[i]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
637     \item[{$\Fmax[i]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
638     \item[{$\Pd[i]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
639     \item[{$\Ps[i]$}] array of the static powers for all nodes.
640     \item[{$\Fdiff[i]$}] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
641     \end{description}
642     \Ensure $\Sopt[1],\Sopt[2] \dots, \Sopt[N]$ is a vector of optimal scaling factors
643
644     \State $\Scp[i] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\Tcp[i])}{\Tcp[i]} $
645     \State $F_{i} \gets  \frac{\Fmax[i]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N}$
646     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
647     \If{(not the first frequency)}
648           \State $F_i \gets F_i+\Fdiff[i],~i=1,\dots,N.$
649     \EndIf 
650     \State $\Told \gets \max_{i=1,\dots,N} (\Tcp[i]+\Tcm[i])$
651     % \State $\Eoriginal \gets \sum_{i=1}^{N}{( \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} +\sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \Told)}$
652     \State $\Eoriginal \gets \sum_{i=1}^{N}{( \Pd[i] \cdot  \Tcp[i] + \Ps[i] \cdot \Told)}$
653     \State $\Sopt[i] \gets 1,~i=1,\dots,N. $
654     \State $\Dist \gets 0 $
655     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
656         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
657         \State $F_i \gets F_i - \Fdiff[i],~i=1,\dots,N.$
658         \State $S_i \gets \frac{\Fmax[i]}{F_i},~i=1,\dots,N.$
659         \EndIf
660        \State $\Tnew \gets \max_{i=1,\dots,N} (\Tcp[i] \cdot S_{i}) + \MinTcm $
661 %       \State $\Ereduced \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i])} + \sum_{i=1}^{N} {(\Ps[i] \cdot \rlap{\Tnew)}} $
662        \State $\Ereduced \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot \Pd[i] \cdot  \Tcp[i] + \Ps[i] \cdot \rlap{\Tnew)}} $
663        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
664        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
665       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
666         \State $\Sopt[i] \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
667         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
668       \EndIf
669     \EndWhile
670     \State  Return $\Sopt[1],\Sopt[2],\dots,\Sopt[N]$
671   \end{algorithmic}
672   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
673   \label{HSA}
674 \end{algorithm}
675
676 \begin{algorithm}
677   \begin{algorithmic}[1]
678     % \footnotesize
679     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
680       \State Computations section.
681       \State Communications section.
682       \If {$(k=1)$}
683         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
684                communication from each node.
685         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
686         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
687                returned optimal scaling factors.
688         \State Set the new frequencies to nodes.
689       \EndIf
690     \EndFor
691   \end{algorithmic}
692   \caption{DVFS algorithm}
693   \label{dvfs}
694 \end{algorithm}
695
696 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
697 \label{sec.verif.algo}
698 The precision  of the  proposed algorithm mainly  depends on the  execution time
699 prediction model  defined in  (\ref{eq:perf}) and the  energy model  computed by
700 (\ref{eq:energy}).   The energy  model is  also significantly  dependent  on the
701 execution  time model  because  the static  energy  is linearly  related to  the
702 execution time  and the dynamic energy  is related to the  computation time. So,
703 all the works presented  in this paper are based on the  execution time model. To
704 verify  this  model, the  predicted  execution time  was  compared  to the  real
705 execution          time           over          SimGrid/SMPI          simulator,
706 v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile},   for   all   the   NAS
707 parallel benchmarks NPB v3.3  \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on
708 8 or  9 nodes. The comparison showed  that the proposed execution  time model is
709 very precise, the maximum  normalized difference between the predicted execution
710 time and the real execution time is equal to 0.03 for all the NAS benchmarks.
711
712 Since the proposed algorithm is not an exact method it does not test all the
713 possible solutions (vectors of scaling factors) in the search space. To prove
714 its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search
715 algorithm that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was
716 applied to different NAS benchmarks classes with different number of nodes. The
717 solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were
718 identical and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the
719 brute force algorithm. It has a small execution time: for a heterogeneous
720 cluster composed of four different types of nodes having the characteristics
721 presented in Table~\ref{table:platform}, it takes on average \np[ms]{0.04} for 4
722 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes to compute the best scaling
723 factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot N)$, where $F$
724 is the number of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The
725 algorithm needs from 12 to 20 iterations to select the best vector of frequency
726 scaling factors that gives the results of the next sections.
727
728 \section{Experimental results}
729 \label{sec.expe}
730 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of
731 Algorithm~\ref{HSA}, it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The
732 experiments were executed on the simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools
733 to create a heterogeneous platform and run message passing applications over it.
734 The heterogeneous platform that was used in the experiments, had one core per
735 node because just one process was executed per node.  The heterogeneous platform
736 was composed of four types of nodes. Each type of nodes had different
737 characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of available
738 frequencies and the computational power, see Table~\ref{table:platform}. The
739 characteristics of these different types of nodes are inspired from the
740 specifications of real Intel processors.  The heterogeneous platform had up to
741 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, for example if
742 a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the
743 constructors of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their
744 CPUs, for each type of node they were chosen proportionally to its computing
745 power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform, while computing with
746 highest frequency, each node consumed an amount of power proportional to its
747 computing power (which corresponds to \np[\%]{80} of its dynamic power and the
748 remaining \np[\%]{20} to the static power), the same assumption was made in
749 \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  Finally, These
750 nodes were connected via an Ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
751
752
753 \begin{table}[!t]
754   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
755   % title of Table
756   \centering
757   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
758     \hline
759     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
760     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
761                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
762     \hline
763     1             &40         & 2.50     & 1.20         & 0.100          & \np[W]{20}   &\np[W]{4} \\
764          
765     \hline
766     2             &50         & 2.66     & 1.60         & 0.133          & \np[W]{25}   &\np[W]{5} \\
767                   
768     \hline
769     3             &60         & 2.90     & 1.20         & 0.100          & \np[W]{30}   &\np[W]{6} \\
770                   
771     \hline
772     4             &70         & 3.40     & 1.60         & 0.133          & \np[W]{35}   &\np[W]{7} \\
773                   
774     \hline
775   \end{tabular}
776   \label{table:platform}
777 \end{table}
778
779  
780 %\subsection{Performance prediction verification}
781
782
783 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
784 \label{sec.res}
785
786
787 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG,
788 MG, FT, BT, LU and SP) and  the benchmarks were executed with the three classes:
789 A, B and C. However, due to the lack of space in this paper, only the results of
790 the  biggest class,  C, are  presented while  being run  on different  number of
791 nodes,  ranging from 4  to 128  or 144  nodes depending  on the  benchmark being
792 executed. Indeed, the benchmarks CG, MG, LU, EP and FT had to be executed on $1,
793 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes.   The other benchmarks such as BT and SP had to
794 be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
795
796  
797  
798 \begin{table}[!t]
799   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
800   % title of Table
801   \centering
802   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
803     \hline
804     \hspace{-2.2084pt}%
805     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
806     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
807     \hline
808     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
809     \hline 
810     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
811    \hline
812     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
813    \hline
814     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
815     \hline
816     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
817    \hline
818     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
819    \hline
820     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
821 \hline 
822   \end{tabular}
823   \label{table:res_4n}
824 % \end{table}
825
826 \medskip
827 % \begin{table}[!t]
828   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
829   % title of Table
830   \centering
831   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
832     \hline
833      \hspace{-2.2084pt}%
834     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
835     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
836     \hline
837     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
838     \hline 
839     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
840    \hline
841     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
842    \hline
843     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
844     \hline
845     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
846    \hline
847     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
848    \hline
849     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
850 \hline 
851   \end{tabular}
852   \label{table:res_8n}
853 % \end{table}
854
855 \medskip
856 % \begin{table}[!t]
857   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
858   % title of Table
859   \centering
860   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
861     \hline
862     \hspace{-2.2084pt}%
863     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
864     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
865     \hline
866     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
867     \hline 
868     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
869    \hline
870     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
871    \hline
872     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
873     \hline
874     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
875    \hline
876     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
877    \hline
878     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
879 \hline 
880   \end{tabular}
881   \label{table:res_16n}
882 % \end{table}
883
884 \medskip
885 % \begin{table}[!t]
886   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
887   % title of Table
888   \centering
889   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
890     \hline
891     \hspace{-2.2084pt}%
892     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
893     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
894     \hline
895     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
896     \hline 
897     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
898    \hline
899     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
900    \hline
901     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
902     \hline
903     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
904    \hline
905     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
906    \hline
907     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
908 \hline 
909   \end{tabular}
910   \label{table:res_32n}
911 % \end{table}
912
913 \medskip
914 % \begin{table}[!t]
915   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
916   % title of Table
917   \centering
918   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
919     \hline
920     \hspace{-2.2084pt}%
921     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
922     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
923     \hline
924     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
925     \hline 
926     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
927    \hline
928     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
929    \hline
930     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
931     \hline
932     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
933    \hline
934     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
935    \hline
936     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
937 \hline 
938   \end{tabular}
939   \label{table:res_64n}
940 % \end{table}
941
942 \medskip
943 % \begin{table}[!t]
944   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
945   % title of Table
946   \centering
947   \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
948     \hline
949     \hspace{-2.2084pt}%
950     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
951     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
952     \hline
953     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
954     \hline 
955     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
956    \hline
957     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
958    \hline
959     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
960     \hline
961     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
962    \hline
963     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
964    \hline
965     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
966 \hline 
967   \end{tabular}
968   \label{table:res_128n}
969 \end{table}
970 The overall energy consumption was computed for each instance according to the
971 energy consumption model (\ref{eq:energy}), with and without applying the
972 algorithm. The execution time was also measured for all these experiments. Then,
973 the energy saving and performance degradation percentages were computed for each
974 instance.  The results are presented in Tables~\ref{table:res_4n},
975 \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, \ref{table:res_32n},
976 \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}. All these results are the average
977 values from many experiments for energy savings and performance degradation.
978 The tables show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks
979 on different number of nodes.  The experiments show that the algorithm
980 significantly reduces the energy consumption (up to \np[\%]{35}) and tries to
981 limit the performance degradation.  They also show that the energy saving
982 percentage decreases when the number of computing nodes increases.  This
983 reduction is due to the increase of the communication times compared to the
984 execution times when the benchmarks are run over a high number of nodes.
985 Indeed, the benchmarks with the same class, C, are executed on different numbers
986 of nodes, so the computation required for each iteration is divided by the
987 number of computing nodes.  On the other hand, more communications are required
988 when increasing the number of nodes so the static energy increases linearly
989 according to the communication time and the dynamic power is less relevant in
990 the overall energy consumption.  Therefore, reducing the frequency with
991 Algorithm~\ref{HSA} is less effective in reducing the overall energy savings. It
992 can also be noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no
993 communications, the energy savings are not significantly affected by the high
994 number of nodes.  No experiments were conducted using bigger classes than D,
995 because they require a lot of memory (more than 64GB) when being executed by the
996 simulator on one machine.  The maximum distance between the normalized energy
997 curve and the normalized performance for each instance is also shown in the
998 result tables. It decrease in the same way as the energy saving percentage.  The
999 tables also show that the performance degradation percentage is not
1000 significantly increased when the number of computing nodes is increased because
1001 the computation times are small when compared to the communication times.
1002
1003
1004  
1005 \begin{figure}[!t]
1006   \centering
1007   \subfloat[Energy saving (\%)]{%
1008     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
1009   
1010   \subfloat[Performance degradation (\%)]{%
1011     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
1012   \label{fig:avg}
1013   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with a different number of nodes}
1014 \end{figure}
1015
1016 Figures~\ref{fig:energy} and  \ref{fig:per_deg} present  the energy  saving and
1017 performance  degradation respectively for  all the  benchmarks according  to the
1018 number of used nodes. As shown  in the first plot, the energy saving percentages
1019 of the benchmarks MG,  LU, BT and FT decrease linearly when  the number of nodes
1020 increase. While  for the EP and  SP benchmarks, the energy  saving percentage is
1021 not affected by the increase of  the number of computing nodes, because in these
1022 benchmarks there are little or  no communications. Finally, the energy saving of
1023 the  GC benchmark  significantly  decrease  when the  number  of nodes  increase
1024 because this benchmark has more  communications than the others. The second plot
1025 shows that  the performance  degradation percentages of  most of  the benchmarks
1026 decrease when  they run on a  big number of  nodes because they spend  more time
1027 communicating than computing,  thus, scaling down the frequencies  of some nodes
1028 has less effect on the performance.
1029
1030
1031
1032
1033 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
1034 \label{sec.compare}
1035 The results of the previous section were obtained while using processors that
1036 consume during computation an overall power which is \np[\%]{80} composed of
1037 dynamic power and of \np[\%]{20} of static power. In this section, these ratios
1038 are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how
1039 the proposed algorithm adapts itself according to the static and dynamic power
1040 values.  The two new power scenarios are the following:
1041
1042 \begin{itemize}
1043 \item \np[\%]{70} of dynamic power and \np[\%]{30} of static power
1044 \item \np[\%]{90} of dynamic power and \np[\%]{10} of static power
1045 \end{itemize}
1046
1047 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the
1048 new power scenarios.  The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes
1049 and the results are presented in Tables~\ref{table:res_s1} and
1050 \ref{table:res_s2}. These tables show that the energy saving percentage of the
1051 \np[\%]{70}-\np[\%]{30} scenario is smaller for all benchmarks compared to the
1052 energy saving of the \np[\%]{90}-\np[\%]{10} scenario.  Indeed, in the latter
1053 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum
1054 frequencies, thus, scaling down the frequency of the nodes results in higher
1055 energy savings than in the \np[\%]{70}-\np[\%]{30} scenario. On the other hand,
1056 the performance degradation percentage is smaller in the \np[\%]{70}-\np[\%]{30}
1057 scenario compared to the \np[\%]{90}-\np[\%]{10} scenario. This is due to the
1058 higher static power percentage in the first scenario which makes it more
1059 relevant in the overall consumed energy.  Indeed, the static energy is related
1060 to the execution time and if the performance is degraded the amount of consumed
1061 static energy directly increases.  Therefore, the proposed algorithm does not
1062 really significantly scale down much the frequencies of the nodes in order to
1063 limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the
1064 consumed static energy.
1065
1066 Both new power scenarios are compared to the old one in
1067 Figure~\ref{fig:sen_comp}. It shows the average of the performance degradation,
1068 the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on
1069 8 or 9 nodes.  The comparison shows that the energy saving ratio is proportional
1070 to the dynamic power ratio: it is increased when applying the
1071 \np[\%]{90}-\np[\%]{10} scenario because at maximum frequency the dynamic energy
1072 is the most relevant in the overall consumed energy and can be reduced by
1073 lowering the frequency of some processors. On the other hand, the energy saving
1074 decreases when the \np[\%]{70}-\np[\%]{30} scenario is used because the dynamic
1075 energy is less relevant in the overall consumed energy and lowering the
1076 frequency does not return big energy savings.  Moreover, the average of the
1077 performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power
1078 (e.g.  \np[\%]{70}-\np[\%]{30} scenario and \np[\%]{80}-\np[\%]{20}
1079 scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption when
1080 using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency
1081 scaling factors that result in more energy saving but less performance, for
1082 example see Figure~\ref{fig:scales_comp}. The opposite happens when using a
1083 higher ratio for static power, the algorithm proportionally selects smaller
1084 scaling values which result in less energy saving but also less performance
1085 degradation.
1086
1087
1088  \begin{table}[!t]
1089   \caption{The results of the \np[\%]{70}-\np[\%]{30} power scenario}
1090   % title of Table
1091   \centering
1092   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1093     \hline
1094     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1095     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1096     \hline
1097     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1098     \hline 
1099     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1100    \hline
1101     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1102    \hline
1103     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1104     \hline
1105     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1106    \hline
1107     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1108    \hline
1109     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1110 \hline 
1111   \end{tabular}
1112   \label{table:res_s1}
1113 \end{table}
1114
1115
1116
1117 \begin{table}[!t]
1118   \caption{The results of the \np[\%]{90}-\np[\%]{10} power scenario}
1119   % title of Table
1120   \centering
1121   \begin{tabular}{|*{6}{r|}}
1122     \hline
1123     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1124     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1125     \hline
1126     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1127     \hline 
1128     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1129    \hline
1130     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1131    \hline
1132     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1133     \hline
1134     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1135    \hline
1136     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1137    \hline
1138     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1139 \hline 
1140   \end{tabular}
1141   \label{table:res_s2}
1142 \end{table}
1143
1144 \begin{table}[!t]
1145  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1146  \centering
1147 \begin{tabular}{|*{7}{r|}}
1148 \hline
1149 Program & \multicolumn{2}{c|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{c|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{c|}{Distance} \\ \cline{2-7} 
1150 name    & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1151 CG      & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1152 MG      & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1153 LU      & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1154 EP      & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1155 BT      & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1156 SP      & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1157 FT      & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1158
1159 \end{tabular}
1160 \label{table:compare_EDP}
1161 \end{table}
1162
1163 \begin{figure}[!t]
1164   \centering
1165   \subfloat[Comparison  between the results on 8 nodes]{%
1166     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1167
1168   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1169     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1170   \label{fig:comp}
1171   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1172 \end{figure}  
1173
1174 \begin{figure}[!t]
1175   \centering
1176    \includegraphics[scale=0.5]{fig/compare_EDP.pdf}
1177   \caption{Trade-off comparison for NAS benchmarks class C}
1178   \label{fig:compare_EDP}
1179 \end{figure}
1180
1181
1182 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1183 \label{sec.compare_EDP}
1184 In this section, the scaling factors selection algorithm, called MaxDist, is
1185 compared to Spiliopoulos et al. algorithm
1186 \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, called EDP.  They developed a
1187 green governor that regularly applies an online frequency selecting algorithm to
1188 reduce the energy consumed by a multicore architecture without degrading much
1189 its performance. The algorithm selects the frequencies that minimize the energy
1190 and delay products, $\mathit{EDP}=\mathit{energy}\times \mathit{delay}$ using
1191 the predicted overall energy consumption and execution time delay for each
1192 frequency.  To fairly compare both algorithms, the same energy and execution
1193 time models, equations (\ref{eq:energy}) and (\ref{eq:fnew}), were used for both
1194 algorithms to predict the energy consumption and the execution times. Also
1195 Spiliopoulos et al. algorithm was adapted to start the search from the initial
1196 frequencies computed using the equation (\ref{eq:Fint}). The resulting algorithm
1197 is an exhaustive search algorithm that minimizes the EDP and has the initial
1198 frequencies values as an upper bound.
1199
1200 Both algorithms were applied to the parallel NAS benchmarks to compare their
1201 efficiency. Table~\ref{table:compare_EDP} presents the results of comparing the
1202 execution times and the energy consumption for both versions of the NAS
1203 benchmarks while running the class C of each benchmark over 8 or 9 heterogeneous
1204 nodes. The results show that our algorithm provides better energy savings than
1205 Spiliopoulos et al. algorithm, on average it results in \np[\%]{29.76} energy
1206 saving while their algorithm returns just \np[\%]{25.75}. The average of
1207 performance degradation percentage is approximately the same for both
1208 algorithms, about \np[\%]{4}.
1209
1210
1211 For all benchmarks,  our algorithm outperforms Spiliopoulos et  al. algorithm in
1212 terms of  energy and  performance trade-off, see  Figure~\ref{fig:compare_EDP},
1213 because it maximizes the distance  between the energy saving and the performance
1214 degradation values while giving the same weight for both metrics.
1215
1216
1217 \section{Conclusion}
1218 \label{sec.concl} 
1219 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It
1220 selects the best possible vector of frequency scaling factors that gives the
1221 maximum distance (optimal trade-off) between the predicted energy and the
1222 predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a
1223 new energy model for measuring and predicting the energy of distributed
1224 iterative applications running over heterogeneous platforms. To evaluate the
1225 proposed method, it was applied on the NAS parallel benchmarks and executed over
1226 a heterogeneous platform simulated by SimGrid. The results of the experiments
1227 showed that the algorithm reduces up to \np[\%]{35} the energy consumption of a
1228 message passing iterative method while limiting the degradation of the
1229 performance. The algorithm also selects different scaling factors according to
1230 the percentage of the computing and communication times, and according to the
1231 values of the static and dynamic powers of the CPUs.  Finally, the algorithm was
1232 compared to Spiliopoulos et al.  algorithm and the results showed that it
1233 outperforms their algorithm in terms of energy-time trade-off.
1234
1235 In the near future, this method  will be applied to real heterogeneous platforms
1236 to evaluate its  performance in a real study case. It  would also be interesting
1237 to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platforms and measure
1238 the energy  consumption reduction it can  produce.  Afterward, we  would like to
1239 develop a similar method that  is adapted to asynchronous iterative applications
1240 where  each task  does not  wait for  other tasks  to finish  their  works.  The
1241 development of such a method might require a new energy model because the number
1242 of iterations is  not known in advance and depends on  the global convergence of
1243 the iterative system.
1244
1245 \section*{Acknowledgment}
1246
1247 This work has been partially supported by the Labex
1248 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student, 
1249 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1250 Babylon (Iraq) for supporting his work. 
1251
1252
1253 % trigger a \newpage just before the given reference
1254 % number - used to balance the columns on the last page
1255 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1256 % the document is modified later
1257 %\IEEEtriggeratref{15}
1258
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1269
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