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