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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction for Message Passing Iterative  Applications in Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   } 
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79 Computing platforms are consuming more and more energy due to the increase of the number of nodes composing them. 
80 To minimize the operating costs of these platforms many techniques have been used. Dynamic voltage and frequency 
81 scaling (DVFS) is one of them, it reduces the frequency of a CPU to lower its energy consumption. However, 
82 lowering the frequency of a CPU might increase the execution time of an application running on that processor. 
83 Therefore, the frequency that gives the best  tradeoff between the energy consumption and the performance of an 
84 application must be selected. 
85
86 In this paper, a new online frequencies selecting algorithm for heterogeneous platforms is presented. 
87 It selects the frequency that try to give the best tradeoff between energy saving and performance degradation, 
88 for each node computing the message passing iterative application. The algorithm has a small overhead and 
89 works without training or profiling. It uses a new energy model for message passing iterative applications 
90 running on a heterogeneous platform. The proposed algorithm is evaluated  on the Simgrid simulator while 
91 running the NAS parallel benchmarks. The experiments demonstrated that it reduces the energy consumption 
92 up to 35\% while limiting the performance degradation as much as possible.
93 \end{abstract}
94
95 \section{Introduction}
96 \label{sec.intro}
97 The need for more computing power is continually increasing. To partially satisfy this need, most supercomputers 
98 constructors just put more computing nodes in their platform. The resulting platform might achieve higher floating 
99 point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat dissipation are also increased. 
100 As an example, the Chinese supercomputer Tianhe-2 had the highest FLOPS in November 2014 according to the Top500 
101 list \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the  most power hungry platform with its over 3 millions 
102 cores consuming around 17.8 megawatts. Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 
103 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the price of energy for 1 megawatt-hour 
104 was approximately equal to \$70. 
105 Therefore, the price of the energy consumed by the 
106 Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions each year. 
107 The computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number of FLOPS per watt possible, 
108 such as the L-CSC from the GSI Helmholtz Center which  
109 became the top of the Green500 list in November 2014 \cite{Green500_List}. 
110 This heterogeneous platform executes more than 5  GFLOPS per watt while consumed 57.15 kilowatts.
111
112 Besides hardware improvements, there are many software techniques to lower the energy consumption of these platforms, 
113 such as scheduling, DVFS, ... DVFS is a widely  used process to reduce the energy consumption of a processor by lowering 
114 its frequency \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also  reduces the number of FLOPS 
115 executed by the processor which might increase  the execution time of the application running over that processor.
116 Therefore, researchers used different optimization strategies to select the frequency that gives the best tradeoff  
117 between the energy reduction and 
118 performance degradation ratio. In \cite{Our_first_paper},  a frequency selecting algorithm 
119 was proposed to reduce the energy consumption of message passing iterative applications running over homogeneous platforms. The  results of the experiments showed significant energy consumption reductions. In this paper,  a new frequency selecting algorithm  adapted for heterogeneous platform  is presented. It selects the vector of frequencies, for a heterogeneous platform running a message passing iterative application,  that simultaneously tries to give the maximum energy reduction and minimum performance degradation ratio. The algorithm has a very small 
120 overhead, works online and does not need any training or profiling.  
121
122 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
123 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
124 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
125 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
126 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
127 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
128 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
129 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
130 on a heterogeneous platform. It also shows the results of running three 
131 different power scenarios and comparing them. 
132 Finally, in Section~\ref{sec.concl} the paper is ended with a summary and some future works.
133
134 \section{Related works}
135 \label{sec.relwork}
136 DVFS is a technique enabled 
137 in modern processors to scale down both the voltage and the frequency of 
138 the CPU while computing, in order to reduce the energy consumption of the processor. DVFS is 
139 also  allowed in the GPUs to achieve the same goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might degrade the performance of the application running on that processor, especially if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a processor to satisfy some objectives and while taking into account all the constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that compute the new frequency while executing the application, such as ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}. Others used offline methods that might need to run the application and profile it before selecting the new frequency, such as ~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}. The methods could be heuristics, exact  or brute force methods that satisfy varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be adapted to the execution's environment and the type of the application such as sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous platform,  synchronous or asynchronous application, ... 
140
141 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
142 Some works have already been done for such platforms and they can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
143 \begin{itemize}
144
145 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
146 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
147
148 \end{itemize}
149
150 For the first type of platform, the compute intensive parallel tasks are executed on the  GPUs and the rest are executed 
151 on the CPUs.  Luley et al.
152 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
153 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal was to maximize the 
154 energy efficiency of the platform during computation by maximizing the number of FLOPS per watt generated. 
155 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et al. developed a scheduling 
156 algorithm that distributes  workloads proportional to the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks must be completed at the same time.
157 In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Rong et al. showed that 
158 a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables DVFS gave better energy and performance 
159 efficiency than other clusters only composed of  CPUs.
160  
161 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with heterogeneous CPUs.
162 Many methods were conceived to reduce the energy consumption of this type of platform.  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling}  
163 developed a method that minimizes the value of $energy*delay^2$ (the delay is the sum of slack times that happen during synchronous communications) by dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed
164 an algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and 
165 non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of  non critical tasks proportionally to their  slack and communication times while limiting  the performance degradation percentage to less than 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed 
166   a heterogeneous cluster composed of two  types 
167 of Intel and AMD processors. They use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
168 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
169  the best frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using some 
170 heuristic. Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic programming approach to  
171 minimize the power consumption of heterogeneous severs  while respecting given time constraints. This approach 
172 had considerable overhead.
173 In contrast to the above described papers, this paper presents the following contributions :
174 \begin{enumerate}
175 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
176        a heterogeneous platform. Both models takes into account the communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
177        
178 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
179       overhead and does not need for any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application.
180       
181 \end{enumerate}
182
183 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
184 \label{sec.exe}
185
186
187
188 \subsection{The execution time of message passing distributed 
189                 iterative applications on a heterogeneous platform}
190
191 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
192 passing distributed iterative synchronous applications running over
193 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
194 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
195 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
196 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
197 have the same network bandwidth and latency.
198
199 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
200 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
201 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
202 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
203 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
204 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
205 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
206 task which have the highest computation time and no slack time.
207   
208  \begin{figure}[t]
209   \centering
210    \includegraphics[scale=0.5]{fig/commtasks}
211   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
212   \label{fig:heter}
213 \end{figure}
214
215 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
216 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
217 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
218 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
219 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
220 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
221 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
222 as in (\ref{eq:s}).
223 \begin{equation}
224   \label{eq:s}
225  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
226 \end{equation}
227  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
228  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
229  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
230  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
231  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
232  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
233  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
234  The communication time for a task is the summation of  periods of 
235  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
236  until the message is synchronously sent or received.
237
238 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
239 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
240 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
241 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
242 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
243 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
244 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
245 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
246 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
247 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
248 \begin{equation}
249   \label{eq:perf}
250  \textit  T_\textit{new} = 
251  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm 
252 \end{equation}
253 Where:\\
254 \begin{equation}
255 \label{eq:perf}
256  MinTcm = \min_{i=1,2,\dots,N} (Tcm_i)
257 \end{equation}
258 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
259 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
260 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
261 with scaling factor from each node  added to the communication time of the 
262 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
263 Therefore, the execution time of the iterative application is 
264 equal to the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied 
265 by the number of iterations of that application.
266
267 This prediction model is developed from the model for predicting the execution time of 
268 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
269 The execution time prediction model is uSpiliopoulossed in the method for optimizing both 
270 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
271 following sections.
272
273
274 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
275 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
276 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
277 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
278 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
279 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
280 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
281 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
282 operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
283 \begin{equation}
284   \label{eq:pd}
285   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
286 \end{equation}
287 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
288 \begin{equation}
289   \label{eq:ps}
290    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
291 \end{equation}
292 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
293 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
294 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
295 to execute a given program can be computed as:
296 \begin{equation}
297   \label{eq:eind}
298    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
299 \end{equation}
300 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
301 time and $Tcp \le T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
302 communication and no slack time.
303
304 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
305 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
306 constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the dynamic
307 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
308 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
309 ratio between the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).
310 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
311 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
312 $F_{new}$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
313 \begin{equation}
314   \label{eq:fnew}
315    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
316 \end{equation}
317 Replacing $F_{new}$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following 
318 equation for dynamic power consumption:
319 \begin{multline}
320   \label{eq:pdnew}
321    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
322    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
323 \end{multline}
324 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
325 new frequency and the maximum frequency respectively.
326
327 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
328 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
329 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
330 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
331 and is given by the following equation:
332 \begin{equation}
333   \label{eq:Edyn}
334    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
335 \end{equation}
336 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
337 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
338  the static power of a processor is considered as constant 
339 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
340 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
341 According to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
342 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
343 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
344 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
345 \begin{equation}
346   \label{eq:Estatic}
347  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
348 \end{equation}
349
350 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
351 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
352 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
353 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
354 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
355 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
356 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
357 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
358 scaling factor and the dynamic power of each node as in (\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
359 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
360 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
361 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
362 for each  processor.  It is computed as follows:
363 \begin{multline}
364   \label{eq:energy}
365  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
366  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
367   {MinTcm))}
368  \end{multline}
369
370 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
371 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
372 application and thus, increase the static energy because the execution time is
373 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
374 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) 
375 multiplied by the number of iterations of that application.
376
377
378 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
379 \label{sec.compet}
380
381 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
382 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
383 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
384 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
385 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
386 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
387 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
388 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
389 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
390 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
391 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
392 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
393 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
394 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
395 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
396 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
397 between energy consumption and performance. 
398
399 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
400 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
401 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
402 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
403 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem,  the
404 execution time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after 
405 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
406 frequency for all nodes) as follows:
407 \begin{multline}
408   \label{eq:pnorm}
409   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
410        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
411            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
412 \end{multline}
413
414
415 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
416 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
417 \begin{multline}
418   \label{eq:enorm}
419   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
420   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
421  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
422  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
423 \end{multline} 
424 Where $E_\textit{Reduced}$ and $E_\textit{Original}$ are computed using (\ref{eq:energy}) and
425   $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in (\ref{eq:pnorm}).
426
427 While the main 
428 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
429 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
430 to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the vector  of frequency
431 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
432 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
433 reduction with minimum execution time reduction.  
434   
435 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
436 execution time follow the same direction.  Therefore, the equation of the 
437 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
438 \begin{multline}
439   \label{eq:pnorm_inv}
440   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
441           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
442             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
443 \end{multline}
444
445
446 \begin{figure}
447   \centering
448   \subfloat[Homogeneous platform]{%
449     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
450   
451   
452   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
453     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
454   \label{fig:rel}
455   \caption{The energy and performance relation}
456 \end{figure}
457
458 Then, the objective function can be modeled   as finding the maximum distance
459 between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the  performance
460 curve (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
461 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
462 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then the objective
463 function has the following form:
464 \begin{equation}
465   \label{eq:max}
466   Max Dist = 
467   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
468       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
469        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
470 \end{equation}
471 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each node. 
472 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
473 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
474 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
475 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}.
476
477 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
478 \label{sec.optim}
479
480 \subsection{The algorithm details}
481 In this section algorithm \ref{HSA} is presented. It selects the frequency scaling factors 
482 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
483 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
484 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
485 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
486 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
487 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
488 function (\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
489 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
490 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
491 in the iterative MPI program.
492
493 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
494 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
495 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
496 These periods are called idle or slack times. 
497 The algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
498 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
499 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
500 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
501 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
502 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
503 computation time of the node $i$ as follows:
504 \begin{equation}
505   \label{eq:Scp}
506  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
507 \end{equation}
508 Using the initial  frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
509 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
510 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
511 \begin{equation}
512   \label{eq:Fint}
513  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
514 \end{equation}
515 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
516 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
517 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
518 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
519 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
520 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
521 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
522 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
523 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
524 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
525 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
526 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
527 according to (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
528 all other nodes by one gear.
529 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
530 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
531 function (\ref{eq:max}).
532
533 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
534 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
535 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
536 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
537 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
538 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
539 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
540 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
541 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
542 which results in bigger energy savings. 
543 \begin{figure}[t]
544   \centering
545     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
546   \caption{Selecting the initial frequencies}
547   \label{fig:st_freq}
548 \end{figure}
549
550
551
552
553 \begin{algorithm}
554   \begin{algorithmic}[1]
555     % \footnotesize
556     \Require ~
557     \begin{description}
558     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
559     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
560     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
561     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
562     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
563     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
564     \end{description}
565     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
566
567     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
568     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
569     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
570     \If{(not the first frequency)}
571           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
572     \EndIf 
573     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
574     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
575     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
576     \State $Dist \gets 0 $
577     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
578         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
579         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
580         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
581         \EndIf
582        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
583        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
584                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
585        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
586        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
587       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
588         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
589         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
590       \EndIf
591     \EndWhile
592     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
593   \end{algorithmic}
594   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
595   \label{HSA}
596 \end{algorithm}
597
598 \begin{algorithm}
599   \begin{algorithmic}[1]
600     % \footnotesize
601     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
602       \State Computations section.
603       \State Communications section.
604       \If {$(k=1)$}
605         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
606                communication from each node.
607         \State Call algorithm \ref{HSA}.
608         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
609                returned optimal scaling factors.
610         \State Set the new frequencies to nodes.
611       \EndIf
612     \EndFor
613   \end{algorithmic}
614   \caption{DVFS algorithm}
615   \label{dvfs}
616 \end{algorithm}
617
618 \subsection{The evaluation of the proposed algorithm}
619 \label{sec.verif.algo}
620 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
621 (\ref{eq:perf}) and the energy model computed by (\ref{eq:energy}). 
622 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
623 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
624 the works presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
625 execution time was compared to  the real execution time over SimGrid/SMPI simulator, v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}, 
626 for all  the NAS parallel benchmarks NPB v3.3 
627 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
628 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
629 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
630
631 Since  the proposed algorithm is not an exact method and does not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
632 in the search space. To prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
633 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
634 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
635 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
636 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
637 table~\ref{table:platform}, it takes on average \np[ms]{0.04}  for 4 nodes and \np[ms]{0.15} on average for 144 nodes 
638 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
639 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
640 vector of frequency scaling factors that gives the results of the next sections.
641
642 \section{Experimental results}
643 \label{sec.expe}
644 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~ \ref{HSA}, 
645 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The experiments were executed 
646 on the simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools to create a heterogeneous platform and run 
647 message passing applications over it. The  heterogeneous platform that was used in the experiments, 
648 had one core per node because just one  process was executed per node. 
649 The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. Each type of nodes had different 
650 characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
651 available frequencies and the computational power, see Table \ref{table:platform}. The characteristics 
652 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
653 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
654 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
655 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
656 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
657 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
658 dynamic power and the rest was 20\% for the static power, the same assumption  was made in \cite{Our_first_paper,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. 
659 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
660
661
662 \begin{table}[htb]
663   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
664   % title of Table
665   \centering
666   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
667     \hline
668     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
669     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
670                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
671     \hline
672     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
673          
674     \hline
675     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
676                   
677     \hline
678     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
679                   
680     \hline
681     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
682                   
683     \hline
684   \end{tabular}
685   \label{table:platform}
686 \end{table}
687
688  
689 %\subsection{Performance prediction verification}
690
691
692 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
693 \label{sec.res}
694
695
696 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
697 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
698 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
699 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
700 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
701 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
702
703  
704  
705 \begin{table}[htb]
706   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
707   % title of Table
708   \centering
709   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
710     \hline
711     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
712     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
713     \hline
714     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
715     \hline 
716     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
717    \hline
718     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
719    \hline
720     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
721     \hline
722     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
723    \hline
724     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
725    \hline
726     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
727 \hline 
728   \end{tabular}
729   \label{table:res_4n}
730 \end{table}
731
732 \begin{table}[htb]
733   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
734   % title of Table
735   \centering
736   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
737     \hline
738     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
739     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
740     \hline
741     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
742     \hline 
743     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
744    \hline
745     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
746    \hline
747     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
748     \hline
749     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
750    \hline
751     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
752    \hline
753     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
754 \hline 
755   \end{tabular}
756   \label{table:res_8n}
757 \end{table}
758
759 \begin{table}[htb]
760   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
761   % title of Table
762   \centering
763   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
764     \hline
765     Program     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
766     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
767     \hline
768     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
769     \hline 
770     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
771    \hline
772     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
773    \hline
774     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
775     \hline
776     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
777    \hline
778     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
779    \hline
780     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
781 \hline 
782   \end{tabular}
783   \label{table:res_16n}
784 \end{table}
785
786 \begin{table}[htb]
787   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
788   % title of Table
789   \centering
790   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
791     \hline
792     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
793     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
794     \hline
795     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
796     \hline 
797     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
798    \hline
799     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
800    \hline
801     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
802     \hline
803     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
804    \hline
805     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
806    \hline
807     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
808 \hline 
809   \end{tabular}
810   \label{table:res_32n}
811 \end{table}
812
813 \begin{table}[htb]
814   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
815   % title of Table
816   \centering
817   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
818     \hline
819     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
820     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
821     \hline
822     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
823     \hline 
824     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
825    \hline
826     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
827    \hline
828     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
829     \hline
830     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
831    \hline
832     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
833    \hline
834     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
835 \hline 
836   \end{tabular}
837   \label{table:res_64n}
838 \end{table}
839
840
841 \begin{table}[htb]
842   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
843   % title of Table
844   \centering
845   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
846     \hline
847     Program    & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
848     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
849     \hline
850     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
851     \hline 
852     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
853    \hline
854     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
855    \hline
856     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
857     \hline
858     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
859    \hline
860     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
861    \hline
862     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
863 \hline 
864   \end{tabular}
865   \label{table:res_128n}
866 \end{table}
867 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
868 consumption  model (\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
869 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
870 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
871 The results are presented in Tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
872 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
873 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
874 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
875 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
876 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
877 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
878 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
879 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
880 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
881 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
882 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
883 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
884 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
885 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
886 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
887 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
888 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
889 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
890 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
891 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
892 compared to the communication times.  
893
894
895  
896 \begin{figure}
897   \centering
898   \subfloat[Energy saving]{%
899     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
900   
901   \subfloat[Performance degradation ]{%
902     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
903   \label{fig:avg}
904   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
905 \end{figure}
906
907 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
908 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
909 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the  
910 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
911 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
912 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
913 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
914 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
915 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
916 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
917
918
919
920
921 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
922 \label{sec.compare}
923 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
924 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
925 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
926 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
927 are the following: 
928
929 \begin{itemize}
930 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
931 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
932 \end{itemize}
933
934 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the new power scenarios. 
935 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  Tables 
936 \ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}. These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
937 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
938 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
939 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
940 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
941 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
942 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
943 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
944 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy.
945
946 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
947 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
948 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
949 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the  most relevant 
950 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
951 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
952 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
953 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
954 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
955 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
956 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
957 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
958 results in less energy saving but less performance degradation. 
959
960
961  \begin{table}[htb]
962   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
963   % title of Table
964   \centering
965   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
966     \hline
967     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
968     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
969     \hline
970     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
971     \hline 
972     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
973    \hline
974     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
975    \hline
976     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
977     \hline
978     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
979    \hline
980     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
981    \hline
982     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
983 \hline 
984   \end{tabular}
985   \label{table:res_s1}
986 \end{table}
987
988
989
990 \begin{table}[htb]
991   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
992   % title of Table
993   \centering
994   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
995     \hline
996     Program    & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
997     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
998     \hline
999     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1000     \hline 
1001     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1002    \hline
1003     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1004    \hline
1005     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1006     \hline
1007     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1008    \hline
1009     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1010    \hline
1011     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1012 \hline 
1013   \end{tabular}
1014   \label{table:res_s2}
1015 \end{table}
1016
1017
1018 \begin{figure}
1019   \centering
1020   \subfloat[Comparison  of the results on 8 nodes]{%
1021     \includegraphics[width=.30\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1022
1023   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1024     \includegraphics[width=.34\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1025   \label{fig:comp}
1026   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1027 \end{figure}  
1028
1029
1030
1031
1032 \subsection{The comparison of the proposed scaling algorithm }
1033 \label{sec.compare_EDP}
1034
1035 In this section, we compare our scaling  factors selection algorithm
1036 with Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}. 
1037 They developed an online frequency selecting algorithm running over multicore architecture. 
1038 The algorithm predicted both the energy and performance during the runtime of the program, then 
1039 selecting the frequencies that minimized the energy and delay products (EDP), $EDP=Enegry * Delay$. 
1040 To be able to compare with this algorithm, we used our energy and execution time models in prediction process,
1041 equations (\ref{eq:energy}) and  (\ref{eq:fnew}). Also their algorithm is adapted to taking into account 
1042 the heterogeneous platform to starts selecting the 
1043 initial frequencies using the equation (\ref{eq:Fint}). The algorithm built to test all possible frequencies as 
1044 a brute-force search algorithm. 
1045
1046 The comparison results of running NAS benchmarks class C on 8 or 9 nodes are 
1047 presented in table \ref{table:compare_EDP}. The results show that our algorithm has a biggest energy saving percentage, 
1048 on average it has 29.76\% and thier algorithm has 25.75\%,
1049 while the average of performance degradation percentage is approximately the same, the average for our algorithm is 
1050 equal to 3.89\% and for their algorithm is equal to 4.03\%. In general, our algorithm outperforms 
1051 Spiliopoulos et al. algorithm in term of energy and performance tradeoff see figure (\ref{fig:compare_EDP}). 
1052 This because our algorithm maximized the difference (the distance) between the energy saving and the performance degradation 
1053 comparing to their EDP optimization function. It is also keeps the frequency of the slowest node without change 
1054 that gave some enhancements to the energy and performance tradeoff.
1055
1056
1057 \begin{table}[h]
1058  \caption{Comparing the proposed algorithm}
1059  \centering
1060 \begin{tabular}{|l|l|l|l|l|l|l|l|}
1061 \hline
1062 \multicolumn{2}{|l|}{\multirow{2}{*}{\begin{tabular}[c]{@{}l@{}}Program \\ name\end{tabular}}} & \multicolumn{2}{l|}{Energy saving \%} & \multicolumn{2}{l|}{Perf.  degradation \%} & \multicolumn{2}{l|}{Distance} \\ \cline{3-8} 
1063 \multicolumn{2}{|l|}{}                                                                         & EDP             & MaxDist          & EDP            & MaxDist           & EDP          & MaxDist        \\ \hline
1064 \multicolumn{2}{|l|}{CG}                                                                       & 27.58           & 31.25            & 5.82           & 7.12              & 21.76        & 24.13          \\ \hline
1065 \multicolumn{2}{|l|}{MG}                                                                       & 29.49           & 33.78            & 3.74           & 6.41              & 25.75        & 27.37          \\ \hline
1066 \multicolumn{2}{|l|}{LU}                                                                       & 19.55           & 28.33            & 0.0            & 0.01              & 19.55        & 28.22          \\ \hline
1067 \multicolumn{2}{|l|}{EP}                                                                       & 28.40           & 27.04            & 4.29           & 0.49              & 24.11        & 26.55          \\ \hline
1068 \multicolumn{2}{|l|}{BT}                                                                       & 27.68           & 32.32            & 6.45           & 7.87              & 21.23        & 24.43          \\ \hline
1069 \multicolumn{2}{|l|}{SP}                                                                       & 20.52           & 24.73            & 5.21           & 2.78              & 15.31         & 21.95         \\ \hline
1070 \multicolumn{2}{|l|}{FT}                                                                       & 27.03           & 31.02            & 2.75           & 2.54              & 24.28        & 28.48           \\ \hline
1071
1072 \end{tabular}
1073 \label{table:compare_EDP}
1074 \end{table}
1075
1076
1077
1078 \begin{figure}[t]
1079   \centering
1080    \includegraphics[scale=0.6]{fig/compare_EDP.pdf}
1081   \caption{Tradeoff comparison for NAS benchmarks class C}
1082   \label{fig:compare_EDP}
1083 \end{figure}
1084
1085
1086 \section{Conclusion}
1087 \label{sec.concl} 
1088 In this paper, a new online frequency selecting algorithm has been presented. It selects the best possible vector of frequency scaling factors that gives the maximum distance (optimal tradeoff) between the predicted energy and 
1089 the predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a new energy model for measuring  
1090 and predicting the energy of distributed iterative applications running over heterogeneous 
1091 platform. To evaluate the proposed method, it  was  applied on the NAS parallel benchmarks and executed over a heterogeneous platform simulated by  Simgrid. The results of the experiments showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message passing iterative method while limiting the degradation of the performance. The algorithm also  selects different scaling factors   according to the percentage of the computing and communication times, and according to the values of  the static and  dynamic powers of the CPUs. 
1092
1093 In the near future, this method will be applied to real heterogeneous platforms to evaluate its performance in a real study case. It would also be interesting to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platform and measure the energy consumption reduction it can produce. Afterward, we would like  to develop a similar method that is adapted to asynchronous  iterative applications 
1094 where each task does not wait for others tasks to finish there works. The development of such method might require a new 
1095 energy model because the number of iterations is not 
1096 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
1097
1098 \section*{Acknowledgment}
1099
1100 This work has been partially supported by the Labex
1101 ACTION project (contract “ANR-11-LABX-01-01”). As a PhD student,
1102 Mr. Ahmed Fanfakh, would like to thank the University of
1103 Babylon (Iraq) for supporting his work.
1104
1105
1106 % trigger a \newpage just before the given reference
1107 % number - used to balance the columns on the last page
1108 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1109 % the document is modified later
1110 %\IEEEtriggeratref{15}
1111
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1115
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