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