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[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
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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, in Section~\ref{sec.concl} the paper is ended with a summary and some future works.
136
137 \section{Related works}
138 \label{sec.relwork}
139 DVFS is a technique enabled 
140 in modern processors to scale down both the voltage and the frequency of 
141 the CPU while computing, in order to reduce the energy consumption of the processor. DVFS is 
142 also  allowed in the GPUs to achieve the same goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might degrade the performance of the application running on that processor, especially if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a processor to satisfy some objectives and while taking into account all the constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different strategies to tackle this problem. Some of them used online methods that compute the new frequency while executing the application,\textbf{ such as ~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}}. Others used offline methods that might need to run the application and profile it before selecting the new frequency, \textbf{such as ~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}}. The methods could be heuristics, exact  or brute force methods that satisfy varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be adapted to the execution's environment and the type of the application such as sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous platform,  synchronous or asynchronous application, ... 
143
144 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
145 Some works have already been done for such platforms and it can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
146 \begin{itemize}
147
148 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
149 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
150
151 \end{itemize}
152
153 For the first type of platform, the compute intensive parallel tasks are executed on the  GPUs and the rest are executed 
154 on the CPUs.  Luley et al.
155 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
156 cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal was to maximize the 
157 energy efficiency of the platform during computation by maximizing the number of FLOPS per watt generated. 
158 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et al. developed a scheduling 
159 algorithm that distributes  workloads proportional to the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks must be completed at the same time.
160 In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Rong et al. showed that 
161 a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables DVFS gave better energy and performance 
162 efficiency than other clusters only composed of  CPUs.
163  
164 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with heterogeneous CPUs.
165 Many methods were conceived to reduce the energy consumption of this type of platform.  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling}  
166 developed a method that minimize the value of $energy*delay^2$ by dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. \textbf{Where  the delay is defined  as the slack times that happens between the synchronous tasks}. Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} propose
167 an algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and 
168 non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of  non critical tasks proportionally to their  slack and communication times while limiting  the performance degradation percentage to less than 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS} 
169 and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS},  a heterogeneous cluster composed of two  types 
170 of Intel and AMD processors. The consumed energy 
171 and the performance for each frequency gear were predicted, then the algorithm selected the best gear that gave 
172 the best tradeoff. \textbf{The energy model used to measure the energy consumption using the voltage and frequency values. While the performance is predicted using the regression method.}  
173 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
174  the best frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using some 
175 heuristic. Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} \textbf{used a greedy dynamic programming approach to  
176 minimize the power consumption of heterogeneous severs  with the time requirements.} This approach 
177 had considerable overhead.
178 In contrast to the above described papers, this paper presents the following contributions :
179 \begin{enumerate}
180 \item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
181        a heterogeneous platform. Both models takes into account the communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
182        
183 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
184       overhead and does not need for any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application .
185
186       
187 \end{enumerate}
188
189 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous architecture}
190 \label{sec.exe}
191
192
193
194 \subsection{The execution time of message passing distributed 
195                 iterative applications on a heterogeneous platform}
196
197 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
198 passing distributed iterative synchronous applications running over
199 heterogeneous platforms. A heterogeneous platform is defined as a collection of
200 heterogeneous computing nodes interconnected via a high speed homogeneous
201 network. Therefore, each node has different characteristics such as computing
202 power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, \dots{} but they all
203 have the same network bandwidth and latency.
204
205 The overall execution time  of a distributed iterative synchronous application 
206 over a heterogeneous platform  consists of the sum of the computation time and 
207 the communication time for every iteration on a node. However, due to the 
208 heterogeneous computation power of the computing nodes, slack times might occur 
209 when fast nodes have to  wait, during synchronous communications, for  the slower 
210 nodes to finish  their computations (see Figure~(\ref{fig:heter})). 
211 Therefore,  the overall execution time  of the program is the execution time of the slowest
212 task which have the highest computation time and no slack time.
213   
214  \begin{figure}[t]
215   \centering
216    \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
217   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
218   \label{fig:heter}
219 \end{figure}
220
221 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in 
222 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling 
223 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU 
224 and consequently its computing power, the execution time of a program running 
225 over that scaled down processor might increase, especially if the program is 
226 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling 
227 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU 
228 as in EQ (\ref{eq:s}).
229 \begin{equation}
230   \label{eq:s}
231  S = \frac{F_\textit{max}}{F_\textit{new}}
232 \end{equation}
233  The execution time of a compute bound sequential program is linearly proportional 
234  to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand,  message passing 
235  distributed applications consist of two parts: computation and communication. 
236  The execution time of the computation part is linearly proportional to the 
237  frequency scaling factor $S$ but  the communication time is not affected by the 
238  scaling factor because  the processors involved remain idle during the  
239  communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}. 
240  The communication time for a task is the summation of  periods of 
241  time that begin with an MPI call for sending or receiving   a message 
242  till the message is synchronously sent or received.
243
244 Since in a heterogeneous platform, each node has different characteristics,
245 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on these
246 nodes, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
247 $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ where $S_i$ is the scaling factor of processor $i$. To
248 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
249 applications running over a heterogeneous platform, for different vectors of
250 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
251 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
252 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
253 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
254 \begin{equation}
255   \label{eq:perf}
256  \textit  T_\textit{new} = 
257  \max_{i=1,2,\dots,N} ({TcpOld_{i}} \cdot S_{i}) +  MinTcm
258 \end{equation}
259 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first 
260 iteration and $MinTcm$ is the communication time of the slowest processor from 
261 the first iteration.  The model computes the maximum computation time 
262 with scaling factor from each node  added to the communication time of the \subsection{The verifications of the proposed method}
263 \label{sec.verif.method}
264 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
265 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
266 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
267 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
268 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
269 execution time was compared to  the real execution time over Simgrid for all  the NAS parallel benchmarks 
270 running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
271 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
272 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
273
274 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
275 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
276 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
277 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
278 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
279 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
280 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 
281 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
282 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
283 vector of frequency scaling factors that gives the results of the sections (\ref{sec.res}) and (\ref{sec.compare}).
284 slowest node, it means  only the  communication time without any slack time. 
285 Therefore, the execution time of the iterative application is 
286 equal to the execution time of one iteration as in EQ(\ref{eq:perf}) multiplied 
287 by the number of iterations of that application.
288
289 This prediction model is developed from the model for predicting the execution time of 
290 message passing distributed applications for homogeneous architectures~\cite{Our_first_paper}. 
291 The execution time prediction model is used in the method for optimizing both 
292 energy consumption and performance of iterative methods, which is presented in the 
293 following sections.
294
295
296 \subsection{Energy model for heterogeneous platform}
297 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
298 Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
299 Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by a processor into
300 two power metrics: the static and the dynamic power.  While the first one is
301 consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is only consumed during
302 computation times.  The dynamic power $Pd$ is related to the switching
303 activity $\alpha$, load capacitance $C_L$, the supply voltage $V$ and
304 operational frequency $F$, as shown in EQ(\ref{eq:pd}).
305 \begin{equation}
306   \label{eq:pd}
307   Pd = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F
308 \end{equation}
309 The static power $Ps$ captures the leakage power as follows:
310 \begin{equation}
311   \label{eq:ps}
312    Ps  = V \cdot N_{trans} \cdot K_{design} \cdot I_{leak}
313 \end{equation}
314 where V is the supply voltage, $N_{trans}$ is the number of transistors,
315 $K_{design}$ is a design dependent parameter and $I_{leak}$ is a
316 technology-dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
317 to execute a given program can be computed as:
318 \begin{equation}
319   \label{eq:eind}
320    E_\textit{ind} =  Pd \cdot Tcp + Ps \cdot T
321 \end{equation}
322 where $T$ is the execution time of the program, $Tcp$ is the computation
323 time and $Tcp \leq T$.  $Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
324 communication and no slack time.
325
326 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  
327 The operational frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot F$ with some
328 constant $\beta$.  This equation is used to study the change of the dynamic
329 voltage with respect to various frequency values in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction
330 process of the frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the
331 ratio between the maximum and the new frequency as in EQ(\ref{eq:s}).
332 The CPU governors are power schemes supplied by the operating
333 system's kernel to lower a core's frequency. The new frequency 
334 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) can be calculated as follows:
335 \begin{equation}
336   \label{eq:fnew}
337    F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
338 \end{equation}
339 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following 
340 equation for dynamic power consumption:
341 \begin{multline}
342   \label{eq:pdnew}
343    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
344    {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{max} \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
345 \end{multline}
346 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the 
347 new frequency and the maximum frequency respectively.
348
349 According to EQ(\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of $S^{-3}$ when 
350 reducing the frequency by a factor of $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is proportional 
351 to the frequency of a CPU, the computation time is increased proportionally to $S$.  
352 The new dynamic energy is the  dynamic power multiplied by the new time of computation 
353 and is given by the following equation:
354 \begin{equation}
355   \label{eq:Edyn}
356    E_\textit{dNew} = P_{dOld} \cdot S^{-3} \cdot (Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot P_{dOld} \cdot  Tcp 
357 \end{equation}
358 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed during computation 
359 and even when idle. As in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling}, 
360  the static power of a processor is considered as constant 
361 during idle and computation periods, and for all its available frequencies. 
362 The static energy is the static power multiplied by the execution time of the program. 
363 According to the execution time model in EQ(\ref{eq:perf}), the execution time of the program 
364 is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
365 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. 
366 The static energy of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
367 \begin{equation}
368   \label{eq:Estatic}
369  E_\textit{s} = Ps \cdot (Tcp \cdot S  + Tcm)
370 \end{equation}
371
372 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and 
373 static powers, noted as $Pd_{i}$ and $Ps_{i}$ respectively. Therefore, even if the distributed 
374 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ 
375 noted $Tcp_{i}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed 
376 in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. 
377 The communication time of a processor $i$ is noted as $Tcm_{i}$ and could contain slack times 
378 if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do 
379 not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the frequency 
380 scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}), the static energy is 
381 computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. 
382 The overall energy consumption of a message passing  distributed application executed over a 
383 heterogeneous platform during one iteration is the summation of all dynamic and static energies 
384 for each  processor.  It is computed as follows:
385 \begin{multline}
386   \label{eq:energy}
387  E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot Pd_{i} \cdot  Tcp_i)} + {} \\
388  \sum_{i=1}^{N} (Ps_{i} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_i \cdot S_{i}) +
389   {MinTcm))}
390  \end{multline}
391
392 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of
393 scaling factors $(S_1, S_2,\dots, S_N)$ may degrade the performance of the
394 application and thus, increase the static energy because the execution time is
395 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption for the iterative 
396 application can be measured by measuring  the energy consumption for one iteration as in EQ(\ref{eq:energy}) 
397 multiplied by the number of iterations of that application.
398
399
400 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
401 \label{sec.compet}
402
403 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy 
404 efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced 
405 while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally 
406 decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic 
407 and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by 
408 scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption 
409 of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate 
410 frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor 
411 (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed 
412 (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not 
413 significantly increase the execution time. In our previous work~\cite{Our_first_paper}, we  proposed a method 
414 that selects the optimal frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message 
415 passing iterative synchronous application while giving the best trade-off  between the energy 
416 consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
417 heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not 
418 one but a  vector of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off 
419 between energy consumption and performance. 
420
421 The relation between the energy consumption and the execution time for an application is 
422 complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the execution time 
423 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
424 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  
425 Moreover, they are not measured using the same metric.  To solve this problem,  the
426 execution time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after 
427 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum 
428 frequency for all nodes,) as follows:
429 \begin{multline}
430   \label{eq:pnorm}
431   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
432        {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +MinTcm}
433            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
434 \end{multline}
435
436
437 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the consumed energy 
438 while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
439 \begin{multline}
440   \label{eq:enorm}
441   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
442   {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
443  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
444  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
445 \end{multline} 
446 Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
447
448  While the main 
449 goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized 
450 energy and execution time curves are not in the same direction. According 
451 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the vector  of frequency
452 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
453 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
454 reduction with minimum execution time reduction.  
455
456  
457   
458 This problem can be solved by making the optimization process for energy and 
459 execution time follow the same direction.  Therefore, the equation of the 
460 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance equation, as follows:
461 \begin{multline}
462   \label{eq:pnorm_inv}
463   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
464           = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
465             { \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm} 
466 \end{multline}
467
468
469 \begin{figure}
470   \centering
471   \subfloat[Homogeneous platform]{%
472     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
473   \qquad%
474   \subfloat[Heterogeneous platform]{%
475     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
476   \label{fig:rel}
477   \caption{The energy and performance relation}
478 \end{figure}
479
480 Then, the objective function can be modeled   as finding the maximum distance
481 between the energy curve EQ~(\ref{eq:enorm}) and the  performance
482 curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
483 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum 
484 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}). Then the objective
485 function has the following form:
486 \begin{equation}
487   \label{eq:max}
488   Max Dist = 
489   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
490       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
491        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
492 \end{equation}
493 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
494 Then, the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}) can be selected.  
495 The objective function can work with any energy model or any power values for each node 
496 (static and dynamic powers). However, the most energy reduction gain can be achieved when 
497 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}.
498
499 \section{The scaling factors selection algorithm for heterogeneous platforms }
500 \label{sec.optim}
501
502 \subsection{The algorithm details}
503 In this section algorithm~(\ref{HSA}) is presented. It selects the frequency scaling factors 
504 vector that gives the best trade-off between minimizing the energy consumption  and maximizing 
505 the performance of a message passing synchronous iterative application executed on a heterogeneous 
506 platform. It works online during the execution time of the iterative message passing program.  
507 It uses information gathered during the first iteration such as the computation time and the 
508 communication time in one iteration for each node. The algorithm is executed  after the first 
509 iteration and returns a vector of optimal frequency scaling factors   that satisfies the objective 
510 function EQ(\ref{eq:max}). The program apply DVFS operations to change the frequencies of the CPUs 
511 according to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the execution 
512 of the program. Algorithm~(\ref{dvfs}) shows where and when the proposed scaling algorithm is called 
513 in the iterative MPI program.
514
515 The nodes in a heterogeneous platform have different computing powers, thus while executing message 
516 passing iterative synchronous applications, fast nodes have to wait for the slower ones to finish their 
517 computations before being able to synchronously communicate with them as in figure (\ref{fig:heter}). 
518 These periods are called idle or slack times. 
519 The algorithm takes into account this problem and tries to reduce these slack times when selecting the 
520 frequency scaling factors vector. At first, it selects initial frequency scaling factors that increase 
521 the execution times of fast nodes and  minimize the  differences between  the  computation times of 
522 fast and slow nodes. The value of the initial frequency scaling factor  for each node is inversely 
523 proportional to its computation time that was gathered from the first iteration. These initial frequency 
524 scaling factors are computed as   a ratio between the computation time of the slowest node and the 
525 computation time of the node $i$ as follows:
526 \begin{equation}
527   \label{eq:Scp}
528  Scp_{i} = \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i}
529 \end{equation}
530 Using the initial  frequency scaling factors computed in EQ(\ref{eq:Scp}), the algorithm computes 
531 the initial frequencies for all nodes as a ratio between the maximum frequency of node $i$  
532 and the computation scaling factor $Scp_i$ as follows:
533 \begin{equation}
534   \label{eq:Fint}
535  F_{i} = \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}
536 \end{equation}
537 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of that node, the computed 
538 initial frequency is replaced by the nearest available frequency. In  figure (\ref{fig:st_freq}), 
539 the nodes are  sorted by their computing powers in ascending order and the frequencies of the faster 
540 nodes are scaled down according to the computed initial frequency scaling factors. The resulting new 
541 frequencies are colored in blue in  figure (\ref{fig:st_freq}). This set of frequencies can be considered 
542 as a higher bound for the search space of the optimal vector of frequencies because selecting frequency 
543 scaling factors higher than the higher bound will not improve the performance of the application and 
544 it will increase its overall energy consumption. Therefore the algorithm that selects the frequency 
545 scaling factors starts the search method from these initial frequencies and takes a downward search direction 
546 toward lower frequencies. The algorithm iterates on all left frequencies, from the higher bound until all 
547 nodes reach their minimum frequencies, to compute their overall energy consumption and performance, and select 
548 the optimal frequency scaling factors vector. At each iteration the algorithm determines the slowest node 
549 according to EQ(\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged, while it lowers the frequency of  
550 all other nodes by one gear.
551 The new overall energy consumption and execution time are computed according to the new scaling factors. 
552 The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the highest distance according to  the objective 
553 function EQ(\ref{eq:max}).
554
555 The plots~(\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2}) illustrate the normalized performance and consumed energy for an 
556 application running on a homogeneous platform and a heterogeneous platform respectively while increasing the 
557 scaling factors. It can be noticed that in a homogeneous platform the search for the optimal scaling factor 
558 should be started from the maximum frequency because the performance and the consumed energy is decreased since  
559 the beginning of the plot. On the other hand, in  the heterogeneous platform the performance is  maintained at 
560 the beginning of the plot even if the frequencies of the faster nodes are decreased until the scaled down nodes 
561 have computing powers lower than the slowest node. In other words, until they reach the higher bound. It can 
562 also be noticed that the higher the difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger 
563 the maximum distance between the energy curve and the performance curve is while varying the scaling factors 
564 which results in bigger energy savings. 
565 \begin{figure}[t]
566   \centering
567     \includegraphics[scale=0.5]{fig/start_freq}
568   \caption{Selecting the initial frequencies}
569   \label{fig:st_freq}
570 \end{figure}
571
572
573
574
575 \begin{algorithm}
576   \begin{algorithmic}[1]
577     % \footnotesize
578     \Require ~
579     \begin{description}
580     \item[$Tcp_i$] array of all computation times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
581     \item[$Tcm_i$] array of all communication times for all nodes during one iteration and with highest frequency.
582     \item[$Fmax_i$] array of the maximum frequencies for all nodes.
583     \item[$Pd_i$] array of the dynamic powers for all nodes.
584     \item[$Ps_i$] array of the static powers for all nodes.
585     \item[$Fdiff_i$] array of the difference between two successive frequencies for all nodes.
586     \end{description}
587     \Ensure $Sopt_1,Sopt_2 \dots, Sopt_N$ is a vector of optimal scaling factors
588
589     \State $ Scp_i \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(Tcp_i)}{Tcp_i} $
590     \State $F_{i} \gets  \frac{Fmax_i}{Scp_i},~{i=1,2,\cdots,N}$
591     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest one available in each node.
592     \If{(not the first frequency)}
593           \State $F_i \gets F_i+Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
594     \EndIf 
595     \State $T_\textit{Old} \gets max_{~i=1,\dots,N } (Tcp_i+Tcm_i)$
596     \State $E_\textit{Original} \gets \sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}$
597     \State $Dist \gets 0$
598     \State  $Sopt_{i} \gets 1,~i=1,\dots,N. $
599     \While {(all nodes not reach their  minimum  frequency)}
600         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
601         \State $F_i \gets F_i - Fdiff_i,~i=1,\dots,N.$
602         \State $S_i \gets \frac{Fmax_i}{F_i},~i=1,\dots,N.$
603         \EndIf
604        \State $T_{New} \gets max_\textit{~i=1,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) + MinTcm $
605        \State $E_\textit{Reduced} \gets \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} + $  \hspace*{43 mm} 
606                $\sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})} $
607        \State $ P_\textit{Norm} \gets \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}$
608        \State $E_\textit{Norm}\gets \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}}$
609       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
610         \State $Sopt_{i} \gets S_{i},~i=1,\dots,N. $
611         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
612       \EndIf
613     \EndWhile
614     \State  Return $Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$
615   \end{algorithmic}
616   \caption{frequency scaling factors selection algorithm}
617   \label{HSA}
618 \end{algorithm}
619
620 \begin{algorithm}
621   \begin{algorithmic}[1]
622     % \footnotesize
623     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
624       \State Computations section.
625       \State Communications section.
626       \If {$(k=1)$}
627         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
628                communication from each node.
629         \State Call algorithm from Figure~\ref{HSA} with these times.
630         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
631                returned optimal scaling factors.
632         \State Set the new frequencies to nodes.
633       \EndIf
634     \EndFor
635   \end{algorithmic}
636   \caption{DVFS algorithm}
637   \label{dvfs}
638 \end{algorithm}
639
640 \subsection{The verifications of the proposed algorithm}
641 \label{sec.verif.algo}
642 The precision of the proposed algorithm mainly depends on the execution time prediction model defined in 
643 EQ(\ref{eq:perf}) and the energy model computed by EQ(\ref{eq:energy}). 
644 The energy model is also significantly dependent  on the execution time model because the static energy is 
645 linearly related the execution time and the dynamic energy is related to the computation time. So, all of 
646 the work presented in this paper is based on the execution time model. To verify this model, the predicted 
647 execution time was compared to  the real execution time over SimGrid/SMPI simulator, v3.10~\cite{casanova+giersch+legrand+al.2014.versatile}, 
648 for all  the NAS parallel benchmarks NPB v3.3 
649 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks}, running class B on 8 or 9 nodes. The comparison showed that the proposed execution time model is very precise, 
650 the maximum normalized difference between the predicted execution time  and the real execution time is equal 
651 to 0.03 for all the NAS benchmarks.
652
653 Since  the proposed algorithm is not an exact method and do not test all the possible solutions (vectors of scaling factors) 
654 in the search space and to prove its efficiency, it was compared on small instances to a brute force search algorithm 
655 that tests all the possible solutions. The brute force algorithm was applied to different NAS benchmarks classes with 
656 different number of nodes. The solutions returned by the brute force algorithm and the proposed algorithm were identical 
657 and the proposed algorithm was on average 10 times faster than the brute force algorithm. It has a small execution time: 
658 for a heterogeneous cluster composed of four different types of nodes having the characteristics presented in 
659 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 
660 to compute the best scaling factors vector.  The algorithm complexity is $O(F\cdot (N \cdot4) )$, where $F$ is the number 
661 of iterations and $N$ is the number of computing nodes. The algorithm needs  from 12 to 20 iterations to select the best 
662 vector of frequency scaling factors that gives the results of the next sections.
663
664 \section{Experimental results}
665 \label{sec.expe}
666 To evaluate the efficiency and the overall energy consumption reduction of algorithm~(\ref{HSA}), 
667 it was applied to the NAS parallel benchmarks NPB v3.3. The experiments were executed 
668 on the simulator SimGrid/SMPI which offers easy tools to create a heterogeneous platform and run 
669 message passing applications over it. The  heterogeneous platform that was used in the experiments, 
670 had one core per node because just one  process was executed per node. 
671 The heterogeneous platform  was composed of four types of nodes. Each type of nodes had different 
672 characteristics such as the maximum CPU frequency, the number of
673 available frequencies and the computational power, see table (\ref{table:platform}). The characteristics 
674 of these different types of  nodes are inspired   from the specifications of real Intel processors. 
675 The heterogeneous platform had up to 144 nodes and had nodes from the four types in equal proportions, 
676 for example if  a benchmark was executed on 8 nodes, 2 nodes from each type were used. Since the constructors 
677 of CPUs do not specify the dynamic and the static power of their CPUs, for each type of node they were 
678 chosen proportionally to its computing power (FLOPS).  In the initial heterogeneous platform,  while computing 
679 with highest frequency, each node  consumed power proportional to its computing power which 80\% of it was 
680 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}. 
681 Finally, These nodes were connected via an ethernet network with 1 Gbit/s bandwidth.
682
683
684 \begin{table}[htb]
685   \caption{Heterogeneous nodes characteristics}
686   % title of Table
687   \centering
688   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
689     \hline
690     Node          &Simulated  & Max      & Min          & Diff.          & Dynamic      & Static \\
691     type          &GFLOPS     & Freq.    & Freq.        & Freq.          & power        & power \\
692                   &           & GHz      & GHz          &GHz             &              &       \\
693     \hline
694     1             &40         & 2.5      & 1.2          & 0.1            & 20~w         &4~w    \\
695                   &           &          &              &                &              &  \\
696     \hline
697     2             &50         & 2.66     & 1.6          & 0.133          & 25~w         &5~w    \\
698                   &           &          &              &                &              &  \\
699     \hline
700     3             &60         & 2.9      & 1.2          & 0.1            & 30~w         &6~w    \\
701                   &           &          &              &                &              &  \\
702     \hline
703     4             &70         & 3.4      & 1.6          & 0.133          & 35~w         &7~w    \\
704                   &           &          &              &                &              &  \\
705     \hline
706   \end{tabular}
707   \label{table:platform}
708 \end{table}
709
710  
711 %\subsection{Performance prediction verification}
712
713
714 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
715 \label{sec.res}
716
717
718 The proposed algorithm was applied to the seven parallel NAS benchmarks (EP, CG, MG, FT, BT, LU and SP) 
719 and the benchmarks were executed with the three classes: A,B and C. However, due to the lack of space in 
720 this paper, only the results of the biggest class, C, are presented while being run on different number 
721 of nodes, ranging  from 4 to 128 or 144 nodes depending on the benchmark being executed. Indeed, the 
722 benchmarks CG, MG, LU, EP and FT should be executed on $1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128$ nodes. 
723 The other benchmarks such as BT and SP should be executed on $1, 4, 9, 16, 36, 64, 144$ nodes.
724
725  
726  
727 \begin{table}[htb]
728   \caption{Running NAS benchmarks on 4 nodes }
729   % title of Table
730   \centering
731   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
732     \hline
733     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
734     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
735     \hline
736     CG         &  64.64        & 3560.39        &34.16        &6.72               &27.44       \\
737     \hline 
738     MG         & 18.89         & 1074.87            &35.37            &4.34                   &31.03       \\
739    \hline
740     EP         &79.73          &5521.04         &26.83            &3.04               &23.79      \\
741    \hline
742     LU         &308.65         &21126.00           &34.00             &6.16                   &27.84      \\
743     \hline
744     BT         &360.12         &21505.55           &35.36         &8.49               &26.87     \\
745    \hline
746     SP         &234.24         &13572.16           &35.22         &5.70               &29.52    \\
747    \hline
748     FT         &81.58          &4151.48        &35.58         &0.99                   &34.59    \\
749 \hline 
750   \end{tabular}
751   \label{table:res_4n}
752 \end{table}
753
754 \begin{table}[htb]
755   \caption{Running NAS benchmarks on 8 and 9 nodes }
756   % title of Table
757   \centering
758   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
759     \hline
760     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
761     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
762     \hline
763     CG         &36.11              &3263.49             &31.25        &7.12                    &24.13     \\
764     \hline 
765     MG         &8.99           &953.39          &33.78        &6.41                    &27.37     \\
766    \hline
767     EP         &40.39          &5652.81         &27.04        &0.49                    &26.55     \\
768    \hline
769     LU         &218.79             &36149.77        &28.23        &0.01                    &28.22      \\
770     \hline
771     BT         &166.89         &23207.42            &32.32            &7.89                    &24.43      \\
772    \hline
773     SP         &104.73         &18414.62            &24.73            &2.78                    &21.95      \\
774    \hline
775     FT         &51.10          &4913.26         &31.02        &2.54                    &28.48      \\
776 \hline 
777   \end{tabular}
778   \label{table:res_8n}
779 \end{table}
780
781 \begin{table}[htb]
782   \caption{Running NAS benchmarks on 16 nodes }
783   % title of Table
784   \centering
785   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
786     \hline
787     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
788     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
789     \hline
790     CG         &31.74          &4373.90         &26.29        &9.57                    &16.72          \\
791     \hline 
792     MG         &5.71           &1076.19         &32.49        &6.05                    &26.44         \\
793    \hline
794     EP         &20.11          &5638.49         &26.85        &0.56                    &26.29         \\
795    \hline
796     LU         &144.13         &42529.06            &28.80            &6.56                    &22.24         \\
797     \hline
798     BT         &97.29          &22813.86            &34.95        &5.80                &29.15         \\
799    \hline
800     SP         &66.49          &20821.67            &22.49            &3.82                    &18.67         \\
801    \hline
802     FT             &37.01          &5505.60             &31.59        &6.48                    &25.11         \\
803 \hline 
804   \end{tabular}
805   \label{table:res_16n}
806 \end{table}
807
808 \begin{table}[htb]
809   \caption{Running NAS benchmarks on 32 and 36 nodes }
810   % title of Table
811   \centering
812   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
813     \hline
814     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
815     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
816     \hline
817     CG         &32.35          &6704.21         &16.15        &5.30                    &10.85           \\
818     \hline 
819     MG         &4.30           &1355.58         &28.93        &8.85                    &20.08          \\
820    \hline
821     EP         &9.96           &5519.68         &26.98        &0.02                    &26.96          \\
822    \hline
823     LU         &99.93          &67463.43            &23.60            &2.45                    &21.15          \\
824     \hline
825     BT         &48.61          &23796.97            &34.62            &5.83                    &28.79          \\
826    \hline
827     SP         &46.01          &27007.43            &22.72            &3.45                    &19.27           \\
828    \hline
829     FT             &28.06          &7142.69             &23.09        &2.90                    &20.19           \\
830 \hline 
831   \end{tabular}
832   \label{table:res_32n}
833 \end{table}
834
835 \begin{table}[htb]
836   \caption{Running NAS benchmarks on 64 nodes }
837   % title of Table
838   \centering
839   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
840     \hline
841     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance      \\
842     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &               \\
843     \hline
844     CG         &46.65          &17521.83            &8.13             &1.68                    &6.45           \\
845     \hline 
846     MG         &3.27           &1534.70         &29.27        &14.35               &14.92          \\
847    \hline
848     EP         &5.05           &5471.1084           &27.12            &3.11                &24.01         \\
849    \hline
850     LU         &73.92          &101339.16           &21.96            &3.67                    &18.29         \\
851     \hline
852     BT         &39.99          &27166.71            &32.02            &12.28               &19.74         \\
853    \hline
854     SP         &52.00          &49099.28            &24.84            &0.03                    &24.81         \\
855    \hline
856     FT         &25.97          &10416.82        &20.15        &4.87                    &15.28         \\
857 \hline 
858   \end{tabular}
859   \label{table:res_64n}
860 \end{table}
861
862
863 \begin{table}[htb]
864   \caption{Running NAS benchmarks on 128 and 144 nodes }
865   % title of Table
866   \centering
867   \begin{tabular}{|*{7}{l|}}
868     \hline
869     Method     & Execution     & Energy         & Energy      & Performance        & Distance     \\
870     name       & time/s        & consumption/J  & saving\%    & degradation\%      &              \\
871     \hline
872     CG         &56.92          &41163.36        &4.00         &1.10                    &2.90          \\
873     \hline 
874     MG         &3.55           &2843.33         &18.77        &10.38               &8.39          \\
875    \hline
876     EP         &2.67           &5669.66         &27.09        &0.03                    &27.06         \\
877    \hline
878     LU         &51.23          &144471.90       &16.67        &2.36                    &14.31         \\
879     \hline
880     BT         &37.96          &44243.82            &23.18            &1.28                    &21.90         \\
881    \hline
882     SP         &64.53          &115409.71           &26.72            &0.05                    &26.67         \\
883    \hline
884     FT         &25.51          &18808.72            &12.85            &2.84                    &10.01         \\
885 \hline 
886   \end{tabular}
887   \label{table:res_128n}
888 \end{table}
889 The overall energy consumption was computed for each instance according to the energy 
890 consumption  model EQ(\ref{eq:energy}), with and without applying the algorithm. The 
891 execution time was also measured for all these experiments. Then, the energy saving 
892 and performance degradation percentages were computed for each instance.  
893 The results are presented in tables (\ref{table:res_4n}, \ref{table:res_8n}, \ref{table:res_16n}, 
894 \ref{table:res_32n}, \ref{table:res_64n} and \ref{table:res_128n}). All these results are the 
895 average values from many experiments for  energy savings and performance degradation.
896
897 The tables  show the experimental results for running the NAS parallel benchmarks on different 
898 number of nodes. The experiments show that the algorithm reduce significantly the energy 
899 consumption (up to 35\%) and tries to limit the performance degradation. They also show that 
900 the  energy saving percentage is decreased  when the number of the computing nodes is increased. 
901 This reduction is due to the increase of the communication times compared to the execution times 
902 when the benchmarks are run over a high number of nodes. Indeed, the benchmarks with the same class, C, 
903 are executed on different number of nodes, so the computation required for each iteration is divided 
904 by the number of computing nodes.   On the other hand, more communications are required when increasing 
905 the number of nodes so the static energy is increased linearly according to the communication time and 
906 the dynamic power is less relevant in the overall energy consumption. Therefore, reducing the frequency 
907 with algorithm~(\ref{HSA}) have less effect in reducing the overall energy savings. It can also be 
908 noticed that for the benchmarks EP and SP that contain little or no communications,  the energy savings 
909 are not significantly affected with the high number of nodes. No experiments were conducted using bigger 
910 classes such as D, because they require a lot of memory(more than 64GB) when being executed by the simulator 
911 on one machine. The maximum distance between the normalized energy curve and the normalized performance 
912 for each instance is also shown in the result tables. It is decreased in the same way as the energy 
913 saving percentage. The tables also show that the performance degradation percentage is not significantly 
914 increased when the number of computing nodes is increased because the computation times are small when 
915 compared to the communication times.  
916
917
918  
919 \begin{figure}
920   \centering
921   \subfloat[Energy saving]{%
922     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/energy}\label{fig:energy}}%
923   \quad%
924   \subfloat[Performance degradation ]{%
925     \includegraphics[width=.2315\textwidth]{fig/per_deg}\label{fig:per_deg}}
926   \label{fig:avg}
927   \caption{The energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}
928 \end{figure}
929
930 Plots (\ref{fig:energy} and \ref{fig:per_deg}) present the energy saving and performance degradation 
931 respectively for all the benchmarks according to the number of used nodes. As shown in the first plot, 
932 the energy saving percentages of the benchmarks MG, LU, BT and FT are decreased linearly  when the the 
933 number of nodes is increased. While for the  EP and SP benchmarks, the energy saving percentage is not 
934 affected by the increase of the number of computing nodes, because in these benchmarks there are little or 
935 no communications. Finally, the energy saving of the GC benchmark  is significantly decreased when the number 
936 of nodes is increased because  this benchmark has more communications than the others. The second plot 
937 shows that the performance degradation percentages of most of the benchmarks are decreased when they 
938 run on a big number of nodes because they spend more time communicating than computing, thus, scaling 
939 down the frequencies of some nodes have less effect on the performance. 
940
941
942
943
944 \subsection{The results for different power consumption scenarios}
945 \label{sec.compare}
946 The results of the previous section were obtained while using processors that consume during computation 
947 an overall power which is 80\% composed of  dynamic power and 20\% of static power. In this section, 
948 these ratios are changed and two new power scenarios are considered in order to evaluate how the proposed  
949 algorithm adapts itself according to the static and dynamic power values.  The two new power scenarios 
950 are the following: 
951
952 \begin{itemize}
953 \item 70\% dynamic power  and 30\% static power
954 \item 90\% dynamic power  and 10\% static power
955 \end{itemize}
956
957 The NAS parallel benchmarks were executed again over processors that follow the the new power scenarios. 
958 The class C of each benchmark was run over 8 or 9 nodes and the results are presented in  tables 
959 (\ref{table:res_s1} and \ref{table:res_s2}). These tables show that the energy saving percentage of the 70\%-30\% 
960 scenario is less for all benchmarks compared to the energy saving of the 90\%-10\% scenario. Indeed, in the latter 
961 more dynamic power is consumed when nodes are running on their maximum frequencies, thus, scaling down the frequency 
962 of the nodes results in higher energy savings than in the 70\%-30\% scenario. On the other hand,  the performance 
963 degradation percentage is less in the 70\%-30\% scenario  compared to the 90\%-10\%  scenario. This is due to the 
964 higher static power percentage in the first scenario which makes it more relevant in the overall consumed energy. 
965 Indeed, the static energy is related to the execution time and if the performance is  degraded the total consumed 
966 static energy is directly increased. Therefore, the proposed algorithm do not scales down much the frequencies of the 
967 nodes  in order to limit the increase of the execution time and thus limiting the effect of the consumed static energy .
968
969 The two new power scenarios are compared to the old one in figure (\ref{fig:sen_comp}). It shows the average of 
970 the performance degradation, the energy saving and the distances for all NAS benchmarks of class C running on 8 or 9 nodes. 
971 The comparison shows that  the energy saving ratio is proportional to the dynamic power ratio: it is increased 
972 when applying the  90\%-10\% scenario because at maximum frequency the dynamic  energy is the the most relevant 
973 in the overall consumed energy and can be reduced by lowering the frequency of some processors. On the other hand, 
974 the energy saving is decreased when  the 70\%-30\% scenario is used because the dynamic  energy is less relevant in 
975 the overall consumed energy and lowering the frequency do not returns big energy savings.
976 Moreover, the average of the performance degradation is decreased when using a higher ratio for static power 
977 (e.g. 70\%-30\% scenario and 80\%-20\% scenario). Since the proposed algorithm optimizes the energy consumption 
978 when using a higher ratio for dynamic power the algorithm selects bigger frequency scaling factors that result in 
979 more energy saving but less performance, for example see the figure (\ref{fig:scales_comp}). The opposite happens 
980 when using a higher ratio for  static  power, the algorithm proportionally  selects  smaller scaling values which 
981 results in less energy saving but less performance degradation. 
982
983
984  \begin{table}[htb]
985   \caption{The results of 70\%-30\% powers scenario}
986   % title of Table
987   \centering
988   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
989     \hline
990     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
991     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
992     \hline
993     CG         &4144.21          &22.42        &7.72                &14.70         \\
994     \hline 
995     MG         &1133.23          &24.50        &5.34                &19.16          \\
996    \hline
997     EP         &6170.30         &16.19         &0.02                &16.17          \\
998    \hline
999     LU         &39477.28        &20.43         &0.07                &20.36          \\
1000     \hline
1001     BT         &26169.55            &25.34             &6.62                &18.71          \\
1002    \hline
1003     SP         &19620.09            &19.32             &3.66                &15.66          \\
1004    \hline
1005     FT         &6094.07         &23.17         &0.36                &22.81          \\
1006 \hline 
1007   \end{tabular}
1008   \label{table:res_s1}
1009 \end{table}
1010
1011
1012
1013 \begin{table}[htb]
1014   \caption{The results of 90\%-10\% powers scenario}
1015   % title of Table
1016   \centering
1017   \begin{tabular}{|*{6}{l|}}
1018     \hline
1019     Method     & Energy          & Energy      & Performance        & Distance     \\
1020     name       & consumption/J   & saving\%    & degradation\%      &              \\
1021     \hline
1022     CG         &2812.38          &36.36        &6.80                &29.56         \\
1023     \hline 
1024     MG         &825.427          &38.35        &6.41                &31.94         \\
1025    \hline
1026     EP         &5281.62          &35.02        &2.68                &32.34         \\
1027    \hline
1028     LU         &31611.28             &39.15        &3.51                    &35.64        \\
1029     \hline
1030     BT         &21296.46             &36.70            &6.60                &30.10       \\
1031    \hline
1032     SP         &15183.42             &35.19            &11.76               &23.43        \\
1033    \hline
1034     FT         &3856.54          &40.80        &5.67                &35.13        \\
1035 \hline 
1036   \end{tabular}
1037   \label{table:res_s2}
1038 \end{table}
1039
1040
1041 \begin{figure}
1042   \centering
1043   \subfloat[Comparison the average of the results on 8 nodes]{%
1044     \includegraphics[width=.22\textwidth]{fig/sen_comp}\label{fig:sen_comp}}%
1045   \quad%
1046   \subfloat[Comparison the selected frequency scaling factors of MG benchmark class C running on 8 nodes]{%
1047     \includegraphics[width=.24\textwidth]{fig/three_scenarios}\label{fig:scales_comp}}
1048   \label{fig:comp}
1049   \caption{The comparison of the three power scenarios}
1050 \end{figure}  
1051
1052
1053
1054
1055
1056 \section{Conclusion}
1057 \label{sec.concl} 
1058 In this paper, a new online frequency selecting algorithm have been presented. It selects the best possible vector of frequency scaling factors that gives the maximum distance (optimal tradeoff) between the predicted energy and 
1059 the predicted performance curves for a heterogeneous platform. This algorithm uses a new energy model for measuring  
1060 and predicting the energy of distributed iterative applications running over heterogeneous 
1061 platform. To evaluate the proposed method, it  was  applied on the NAS parallel benchmarks and executed over a heterogeneous platform simulated by  Simgrid. The results of the experiments showed that the algorithm reduces up to 35\% the energy consumption of a message passing iterative method while limiting the degradation of the performance. The algorithm also  selects different scaling factors   according to the percentage of the computing and communication times, and according to the values of  the static and  dynamic powers of the CPUs. 
1062
1063 In the near future, this method will be applied to real heterogeneous platforms to evaluate its performance in a real study case. It would also be interesting to evaluate its scalability over large scale heterogeneous platform and measure the energy consumption reduction it can produce. Afterward, We would like  to develop a similar method that is adapted to asynchronous  iterative applications 
1064 where each task does not wait for others tasks to finish there works. The development of such method might require a new 
1065 energy model because the number of iterations is not 
1066 known in advance and depends on the global convergence of the iterative system.
1067
1068 \section*{Acknowledgment}
1069
1070
1071
1072 % trigger a \newpage just before the given reference
1073 % number - used to balance the columns on the last page
1074 % adjust value as needed - may need to be readjusted if
1075 % the document is modified later
1076 %\IEEEtriggeratref{15}
1077
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1080 \end{document}
1081
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