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some corrections
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54 \begin{document} 
55
56 \title{Energy Consumption Reduction in a Heterogeneous Architecture Using DVFS}
57  
58 \author{% 
59   \IEEEauthorblockN{%
60     Jean-Claude Charr,
61     Raphaël Couturier,
62     Ahmed Fanfakh and
63     Arnaud Giersch
64   } 
65   \IEEEauthorblockA{%
66     FEMTO-ST Institute\\
67     University of Franche-Comté\\
68     IUT de Belfort-Montbéliard,
69     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
70     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
71     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
72     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
73    }
74   }
75
76 \maketitle
77
78 \begin{abstract}
79 Computing platforms are consuming more and more energy due to the increase of the number of nodes composing them. 
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 gives  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 was 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 TSUBAME-KFC at the GSIC center of Tokyo which  
109 became the top of the Green500 list in June 2014 \cite{Green500_List}. 
110 This heterogeneous platform executes more than four  GFLOPS per watt.
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 the 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. \textbf{In our previous paper \cite{Our_first_paper},  a frequency selecting algorithm 
119 was proposed for distributed iterative application running over homogeneous platform. While in this paper the algorithm is  significantly adapted to run over a heterogeneous platform. This platform is a collection of heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous network.}
120
121 The proposed frequency selecting algorithm selects the vector of frequencies for a heterogeneous platform that runs a message passing iterative application,  that gives the maximum energy reduction and minimum 
122 performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has a very small 
123 overhead, works online and does not need any training or profiling.  
124
125 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
126 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
127 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
128 model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
129 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
130 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
131 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified. 
132 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
133 on a heterogeneous platform. It also shows the results of running three 
134 different power scenarios and comparing them. 
135 Finally, we conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
136
137 \section{Related works}
138 \label{sec.relwork}
139 Energy reduction process for high performance clusters recently performed using 
140 dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. DVFS is a technique enabled 
141 in modern processors to scaled down both of the voltage and the frequency of 
142 the CPU while it is in the computing mode to reduce the energy consumption. DVFS is 
143 also  allowed in the graphical processors GPUs, to achieved the same goal. Applying 
144 DVFS has a dramatical side effect if it is applied to minimum levels to gain more 
145 energy reduction, producing  a high percentage of performance degradations for the 
146 parallel applications.  Many researchers used different strategies to solve this 
147 nonlinear problem for example in
148 ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}, their methods 
149 add big overheads to the algorithm to select the suitable frequency.  
150 This paper presents a method 
151 to find the optimal set of frequencies for heterogeneous cluster to 
152 simultaneously optimize both the energy and the execution time  without adding big 
153 overhead. This work is developed from our previous work of homogeneous cluster~\cite{Our_first_paper}. 
154 Therefore we are interested to present some works that concerned the heterogeneous clusters 
155 enabled DVFS. In general, the heterogeneous cluster works fall into two categorizes: 
156 GPUs-CPUs heterogeneous clusters and CPUs-CPUs heterogeneous clusters. In GPUs-CPUs 
157 heterogeneous clusters some parallel tasks executed on  GPUs and the others executed 
158 on  CPUs. As an example of these works, Luley et al.
159 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
160 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal is to determined the 
161 energy efficiency as a function of performance per watt, the best tradeoff is done when the 
162 performance per watt function is maximized. In the work of Kia Ma et al.
163 ~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, they developed a scheduling 
164 algorithm to distributed different workloads proportional to the computing power of the node 
165 to be executed on CPU or GPU, emphasize all tasks must be finished in the same time. 
166 Recently, Rong et al.~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Their study explain that 
167 a heterogeneous clusters enabled DVFS using GPUs and CPUs gave better energy and performance 
168 efficiency than other clusters composed of only CPUs. 
169 The CPUs-CPUs heterogeneous clusters consist of number of computing nodes  all of the type CPU. 
170 Our work in this paper can be classified to this type of the clusters. 
171 As an example of these works see  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} work, 
172 They developed a policy to dynamically assigned the frequency to a heterogeneous cluster. 
173 The goal is to minimizing a fixed metric of $energy*delay^2$. Where our proposed method is automatically 
174 optimized  the relation between the energy and the delay of the iterative applications. 
175 Other works such as Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling}, 
176 their algorithm divided the executed tasks into two types: the critical and 
177 non critical tasks. The algorithm scaled down the frequency of the non critical tasks 
178 as function to the  amount of the slack and communication times that 
179 have with maximum of performance degradation percentage less than 10\%. In our method there is no 
180 fixed bounds for performance degradation percentage and the bound is dynamically computed 
181 according to the energy and the performance tradeoff relation of the executed application. 
182 There are some approaches used a heterogeneous cluster composed from two different types 
183 of Intel and AMD processors such as~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS} 
184 and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, they predicated  both the energy 
185 and the performance for each frequency gear, then the algorithm selected the best gear that gave 
186 the best tradeoff. In contrast our algorithm works over a heterogeneous  platform composed of 
187 four different types of processors. Others approaches such as 
188 \cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
189 they are selected the best frequencies for a specified heterogeneous clusters offline using some 
190 heuristic methods. While our proposed algorithm works online during the execution time of 
191 iterative application. Greedy dynamic approach used by Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements},  
192 minimized the power consumption of a heterogeneous severs  with time/space complexity, this approach 
193 had considerable overhead. In our proposed frequency selecting algorithm has very small overhead and 
194 it is works without any previous analysis for the application time complexity. The primary 
195 contributions of our paper are :
196 \begin{enumerate}
197 \item It is presents  a new online frequency selecting algorithm which has very small 
198       overhead and not need for any training and profiling.
199 \item It is develops a new energy model for iterative distributed applications running over 
200        a heterogeneous clusters, taking into account the communication and slack times.
201 \item The proposed frequency selecting algorithm predicts both the energy and the execution time 
202       of the iterative application running over heterogeneous platform.
203 \item It demonstrates a new optimization function which maximize the performance and 
204       minimize the energy consumption simultaneously.
205       
206 \end{enumerate}
207
208 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
209 \label{sec.exe}
210
211
212
213 \subsection{The execution time of message passing distributed 
214                 iterative applications on a heterogeneous platform}
215
216 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
217 passing distributed iterative synchronous applications running over
218 heterogeneous platforms. We define a heterogeneous platform as a collection of
219 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
220 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
221 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
222 have the same network bandwidth and latency.
223
224 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
225 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
226 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
227 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
228 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
229 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
230 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
231 task which have the highest computation time and no slack time.
232   
233  \begin{figure}[t]
234   \centering
235     \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
236   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
237   \label{fig:heter}
238 \end{figure}
239
240 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
241 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
242 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
243 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
244 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
245 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
246 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
247 as in EQ (\ref{eq:s}).
248 \begin{equation}
249   \label{eq:s}
250  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
251 \end{equation}
252  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
253  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
254  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
255  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
256  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
257  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
258  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
259  The communication time for a task is the summation of  periods of 
260  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
261  till the message is synchronously sent or received.
262
263 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
264 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
265 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
266 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
267 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
268 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
269 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
270 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
271 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
272 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
273 \begin{equation}
274   \label{eq:perf}
275  \textit  T_\textit{new} = 
276  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
277 \end{equation}
278 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
279 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
280 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
281 with scaling factor from each node  added to the communication time of the \subsection{The verifications of the proposed method}
282 \label{sec.verif}
283 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
284 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
285 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
286 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
287 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
288 execution time was compared to  the real execution time over Simgrid for all  the NAS parallel benchmarks 
289 running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
290 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
291 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
292
293 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
294 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
295 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
296 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
297 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
298 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
299 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 
300 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
301 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
302 vector of frequency scaling factors that gives the results of the sections (\ref{sec.res}) and (\ref{sec.compare}).
303 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
304 Therefore, we can consider the execution time of the iterative application is 
305 equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied 
306 by the number of iterations of that application.
307
308 This prediction model is developed from our model for predicting the execution time of 
309 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
310 The execution time prediction model is used in our method for optimizing both 
311 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
312 following sections.
313
314
315 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
316 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
317 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
318 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
319 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
320 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
321 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
322 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
323 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
324 \begin{equation}
325   \label{eq:pd}
326   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
327 \end{equation}
328 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
329 \begin{equation}
330   \label{eq:ps}
331    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
332 \end{equation}
333 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
334 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
335 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
336 to execute a given program can be computed as:
337 \begin{equation}
338   \label{eq:eind}
339    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
340 \end{equation}
341 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
342 time and $Tcp \leq T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
343 communication and no slack time.
344
345 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
346 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
347 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
348 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
349 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
350 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ(\ref{eq:s}).
351 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
352 system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency 
353 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
354 \begin{equation}
355   \label{eq:fnew}
356    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
357 \end{equation}
358 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following 
359 equation for dynamic power consumption:
360 \begin{multline}
361   \label{eq:pdnew}
362    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
363    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
364 \end{multline}
365 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
366 new frequency and the maximum frequency respectively.
367
368 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
369 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
370 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
371 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
372 and is given by the following equation:
373 \begin{equation}
374   \label{eq:Edyn}
375    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
376 \end{equation}
377 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
378 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
379 we assume that the static power of a processor is constant 
380 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
381 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
382 According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
383 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
384 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
385 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
386 \begin{equation}
387   \label{eq:Estatic}
388  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
389 \end{equation}
390
391 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
392 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
393 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
394 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
395 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
396 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
397 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
398 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
399 scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
400 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
401 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
402 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
403 for each  processor.  It is computed as follows:
404 \begin{multline}
405   \label{eq:energy}
406  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
407  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
408   {MinTcm))}
409  \end{multline}
410
411 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
412 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
413 application and thus, increase the static energy because the execution time is
414 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. We can measure the overall energy consumption for the iterative 
415 application by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) 
416 multiplied by the number of iterations of that application.
417
418
419 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
420 \label{sec.compet}
421
422 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
423 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
424 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
425 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
426 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
427 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
428 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
429 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
430 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
431 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
432 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
433 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
434 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
435 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
436 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
437 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
438 between energy consumption and performance. 
439
440 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
441 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
442 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
443 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
444 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
445 execution time by computing the ratio between the new execution time (after 
446 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
447 frequency for all nodes,) as follows:
448 \begin{multline}
449   \label{eq:pnorm}
450   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
451        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
452            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
453 \end{multline}
454
455
456 In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy 
457 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
458 \begin{multline}
459   \label{eq:enorm}
460   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
461   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
462  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
463  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
464 \end{multline} 
465 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
466
467  While the main 
468 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
469 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
470 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
471 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
472 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
473 reduction with minimum execution time reduction.  
474
475  
476   
477 Our solution for this problem is to make the optimization process for energy and 
478 execution time follow the same direction.  Therefore, we inverse the equation of the 
479 normalized execution time which gives the normalized performance equation, as follows:
480 \begin{multline}
481   \label{eq:pnorm_inv}
482   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
483           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
484             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
485 \end{multline}
486
487
488 \begin{figure}
489   \centering
490   \subfloat[Homogeneous platform]{%
491     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
492   \qquad%
493   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
494     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
495   \label{fig:rel}
496   \caption{The energy and performance relation}
497 \end{figure}
498
499 Then, we can model our objective function as finding the maximum distance
500 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
501 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
502 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
503 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then our objective
504 function has the following form:
505 \begin{equation}
506   \label{eq:max}
507   Max Dist = 
508   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
509       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
510        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
511 \end{equation}
512 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
513 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  
514 Our objective function can work with any energy model or any power values for each node 
515 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
516 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}.
517
518 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
519 \label{sec.optim}
520
521 \subsection{The algorithm details}
522 In this section we  propose algorithm~(\ref{HSA}) which selects the frequency scaling factors 
523 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
524 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
525 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
526 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
527 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
528 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
529 function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
530 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
531 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
532 in the iterative MPI program.
533
534 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
535 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
536 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
537 These periods are called idle or slack times. 
538 Our algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
539 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
540 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
541 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
542 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
543 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
544 computation time of the node $i$ as follows:
545 \begin{equation}
546   \label{eq:Scp}
547  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
548 \end{equation}
549 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
550 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
551 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
552 \begin{equation}
553   \label{eq:Fint}
554  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
555 \end{equation}
556 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
557 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
558 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
559 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
560 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
561 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
562 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
563 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
564 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
565 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
566 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
567 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
568 according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
569 all other nodes by one gear.
570 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
571 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
572 function EQ(\ref{eq:max}).
573
574 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
575 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
576 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
577 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
578 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
579 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
580 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
581 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
582 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
583 which results in bigger energy savings. 
584 \begin{figure}[t]
585   \centering
586     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
587   \caption{Selecting the initial frequencies}
588   \label{fig:st_freq}
589 \end{figure}
590
591
592
593
594 \begin{algorithm}
595   \begin{algorithmic}[1]
596     % \footnotesize
597     \Require ~
598     \begin{description}
599     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
600     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
601     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
602     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
603     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
604     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
605     \end{description}
606     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
607
608     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
609     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
610     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
611     \If{(not the first frequency)}
612           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
613     \EndIf 
614     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
615     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
616     \State $Dist \gets 0$
617     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
618     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
619         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
620         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
621         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
622         \EndIf
623        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
624        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
625                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
626        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
627        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
628       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
629         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
630         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
631       \EndIf
632     \EndWhile
633     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
634   \end{algorithmic}
635   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
636   \label{HSA}
637 \end{algorithm}
638
639 \begin{algorithm}
640   \begin{algorithmic}[1]
641     % \footnotesize
642     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
643       \State Computations section.
644       \State Communications section.
645       \If {$(k=1)$}
646         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
647                communication from each node.
648         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
649         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
650                returned optimal scaling factors.
651         \State Set the new frequencies to nodes.
652       \EndIf
653     \EndFor
654   \end{algorithmic}
655   \caption{DVFS algorithm}
656   \label{dvfs}
657 \end{algorithm}
658
659 \subsection{The verifications of the proposed algorithm}
660 \label{sec.verif}
661 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
662 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
663 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
664 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
665 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
666 execution time was compared to  the real execution time over SimGrid/SMPI simulator, v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}, 
667 for all  the NAS parallel benchmarks NPB v3.3 
668 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
669 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
670 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
671
672 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
673 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
674 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
675 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
676 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
677 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
678 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 
679 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
680 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
681 vector of frequency scaling factors that gives the results of the next sections.
682
683 \section{Experimental results}
684 \label{sec.expe}
685 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~(\ref{HSA}), 
686 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The experiments were executed 
687 on the simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools to create a heterogeneous platform and run 
688 message passing applications over it. The  heterogeneous platform that was used in the experiments, 
689 had one core per node because just one  process was executed per node. 
690 The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. Each type of nodes had different 
691 characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
692 available frequencies and the computational power, see table (\ref{table:platform}). The characteristics 
693 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
694 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
695 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
696 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
697 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
698 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
699 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}. 
700 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
701
702
703 \begin{table}[htb]
704   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
705   % title of Table
706   \centering
707   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
708     \hline
709     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
710     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
711                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
712     \hline
713     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
714                   &           &          &              &                &              &  \\
715     \hline
716     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
717                   &           &          &              &                &              &  \\
718     \hline
719     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
720                   &           &          &              &                &              &  \\
721     \hline
722     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
723                   &           &          &              &                &              &  \\
724     \hline
725   \end{tabular}
726   \label{table:platform}
727 \end{table}
728
729  
730 %\subsection{Performance prediction verification}
731
732
733 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
734 \label{sec.res}
735
736
737 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
738 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
739 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
740 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
741 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
742 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
743
744  
745  
746 \begin{table}[htb]
747   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
748   % title of Table
749   \centering
750   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
751     \hline
752     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
753     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
754     \hline
755     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
756     \hline 
757     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
758    \hline
759     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
760    \hline
761     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
762     \hline
763     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
764    \hline
765     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
766    \hline
767     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
768 \hline 
769   \end{tabular}
770   \label{table:res_4n}
771 \end{table}
772
773 \begin{table}[htb]
774   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
775   % title of Table
776   \centering
777   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
778     \hline
779     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
780     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
781     \hline
782     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
783     \hline 
784     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
785    \hline
786     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
787    \hline
788     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
789     \hline
790     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
791    \hline
792     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
793    \hline
794     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
795 \hline 
796   \end{tabular}
797   \label{table:res_8n}
798 \end{table}
799
800 \begin{table}[htb]
801   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
802   % title of Table
803   \centering
804   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
805     \hline
806     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
807     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
808     \hline
809     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
810     \hline 
811     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
812    \hline
813     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
814    \hline
815     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
816     \hline
817     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
818    \hline
819     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
820    \hline
821     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
822 \hline 
823   \end{tabular}
824   \label{table:res_16n}
825 \end{table}
826
827 \begin{table}[htb]
828   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
829   % title of Table
830   \centering
831   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
832     \hline
833     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
834     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
835     \hline
836     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
837     \hline 
838     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
839    \hline
840     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
841    \hline
842     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
843     \hline
844     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
845    \hline
846     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
847    \hline
848     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
849 \hline 
850   \end{tabular}
851   \label{table:res_32n}
852 \end{table}
853
854 \begin{table}[htb]
855   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
856   % title of Table
857   \centering
858   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
859     \hline
860     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
861     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
862     \hline
863     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
864     \hline 
865     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
866    \hline
867     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
868    \hline
869     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
870     \hline
871     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
872    \hline
873     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
874    \hline
875     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
876 \hline 
877   \end{tabular}
878   \label{table:res_64n}
879 \end{table}
880
881
882 \begin{table}[htb]
883   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
884   % title of Table
885   \centering
886   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
887     \hline
888     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
889     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
890     \hline
891     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
892     \hline 
893     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
894    \hline
895     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
896    \hline
897     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
898     \hline
899     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
900    \hline
901     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
902    \hline
903     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
904 \hline 
905   \end{tabular}
906   \label{table:res_128n}
907 \end{table}
908 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
909 consumption  model EQ(\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
910 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
911 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
912 The results are presented in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
913 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
914 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
915
916 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
917 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
918 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
919 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
920 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
921 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
922 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
923 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
924 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
925 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
926 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
927 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
928 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
929 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
930 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
931 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
932 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
933 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
934 compared to the communication times.  
935
936
937  
938 \begin{figure}
939   \centering
940   \subfloat[Energy saving]{%
941     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
942   \quad%
943   \subfloat[Performance degradation ]{%
944     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
945   \label{fig:avg}
946   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
947 \end{figure}
948
949 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
950 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
951 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the the 
952 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
953 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
954 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
955 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
956 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
957 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
958 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
959
960
961
962
963 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
964 \label{sec.compare}
965 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
966 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
967 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
968 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
969 are the following: 
970
971 \begin{itemize}
972 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
973 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
974 \end{itemize}
975
976 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the the new power scenarios. 
977 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  tables 
978 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}). These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
979 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
980 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
981 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
982 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
983 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
984 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
985 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
986 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy .
987
988 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
989 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
990 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
991 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the the most relevant 
992 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
993 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
994 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
995 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
996 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
997 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
998 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
999 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
1000 results in less energy saving but less performance degradation. 
1001
1002
1003  \begin{table}[htb]
1004   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
1005   % title of Table
1006   \centering
1007   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
1008     \hline
1009     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1010     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1011     \hline
1012     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
1013     \hline 
1014     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
1015    \hline
1016     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
1017    \hline
1018     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1019     \hline
1020     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1021    \hline
1022     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1023    \hline
1024     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1025 \hline 
1026   \end{tabular}
1027   \label{table:res_s1}
1028 \end{table}
1029
1030
1031
1032 \begin{table}[htb]
1033   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
1034   % title of Table
1035   \centering
1036   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
1037     \hline
1038     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1039     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1040     \hline
1041     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1042     \hline 
1043     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1044    \hline
1045     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1046    \hline
1047     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1048     \hline
1049     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1050    \hline
1051     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1052    \hline
1053     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1054 \hline 
1055   \end{tabular}
1056   \label{table:res_s2}
1057 \end{table}
1058
1059
1060 \begin{figure}
1061   \centering
1062   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
1063     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1064   \quad%
1065   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1066     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1067   \label{fig:comp}
1068   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1069 \end{figure}  
1070
1071
1072
1073
1074
1075 \section{Conclusion}
1076 \label{sec.concl} 
1077 In this paper, we have presented a new online selecting frequency scaling factors algorithm
1078 that selects the best possible vector of frequency scaling factors for a heterogeneous platform. 
1079 This vector gives the maximum distance (optimal tradeoff) between the predicted energy and 
1080 the predicted performance curves. In addition, we developed a new energy model for measuring  
1081 and predicting the energy of distributed iterative applications running over heterogeneous 
1082 cluster. The proposed method evaluated on Simgrid/SMPI  simulator to built a heterogeneous 
1083 platform to executes NAS parallel benchmarks. The results of the experiments showed the ability of
1084 the proposed algorithm to changes its behaviour to selects different scaling factors  when 
1085 the number of computing nodes and both of the static and the dynamic powers are changed. 
1086
1087 In the future, we plan to improve this method to apply on asynchronous  iterative applications 
1088 where each task does not wait the others tasks to finish there works. This leads us to develop a new 
1089 energy model to an asynchronous iterative applications, where the number of iterations is not 
1090 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
1091
1092 \section*{Acknowledgment}
1093
1094
1095
1096 % trigger a \newpage just before the given reference
1097 % number - used to balance the columns on the last page
1098 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1099 % the document is modified later
1100 %\IEEEtriggeratref{15}
1101
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