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1 \documentclass[conference]{IEEEtran}
2
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26
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28
29 %% used to put some subscripts lower, and make them more legible
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31
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62
63 \begin{document}
64
65 \title{Energy Consumption Reduction with DVFS for \\
66   Message Passing Iterative Applications on \\
67   Heterogeneous Architectures}
68
69 \author{%
70   \IEEEauthorblockN{%
71     Jean-Claude Charr,
72     Raphaël Couturier,
73     Ahmed Fanfakh and
74     Arnaud Giersch
75   }
76   \IEEEauthorblockA{%
77     FEMTO-ST Institute, University of Franche-Comté\\
78     IUT de Belfort-Montbéliard,
79     19 avenue du Maréchal Juin, BP 527, 90016 Belfort cedex, France\\
80     % Telephone: \mbox{+33 3 84 58 77 86}, % Raphaël
81     % Fax: \mbox{+33 3 84 58 77 81}\\      % Dept Info
82     Email: \email{{jean-claude.charr,raphael.couturier,ahmed.fanfakh_badri_muslim,arnaud.giersch}@univ-fcomte.fr}
83    }
84   }
85
86 \maketitle
87
88 \section{Introduction}
89 \label{sec.intro}
90 \textcolor{blue}{
91 The need for more computing power is continually increasing. To partially
92 satisfy this need, most supercomputers constructors just put more computing
93 nodes in their platform. The resulting platforms may achieve higher floating
94 point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat
95 dissipation are also increased.  As an example, the Chinese supercomputer
96 Tianhe-2 had the highest FLOPS in June 2015  according to the Top500 list
97 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the most power hungry
98 platform with its over 3 million cores consuming around 17.8 megawatts.
99 Moreover, according to the U.S.  annual energy outlook 2015
100 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2015}, the price of energy for 1 megawatt-hour
101 was approximately equal to \$70.  Therefore, the price of the energy consumed by
102 the Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 million each year.  The
103 computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number
104 of FLOPS per watt possible, such as the Shoubu-ExaScaler from RIKEN
105 which became the top of the Green500 list in June 2015 \cite{Green500_List}.
106 This heterogeneous platform executes more than 7 GFLOPS per watt while consuming
107 50.32 kilowatts.
108 }
109
110 \textcolor{blue}{
111 Besides platform improvements, there are many software and hardware techniques
112 to lower the energy consumption of these platforms, such as scheduling, DVFS,
113 \dots{} DVFS is a widely used process to reduce the energy consumption of a
114 processor by lowering its frequency
115 \cite{Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency}. However, it also reduces
116 the number of FLOPS executed by the processor which may increase the execution
117 time of the application running over that processor.  Therefore, researchers use
118 different optimization strategies to select the frequency that gives the best
119 trade-off between the energy reduction and performance degradation ratio. In
120 \cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015} , a frequencies selecting algorithm was proposed to reduce
121 the energy consumption of message passing iterative applications running over
122 homogeneous  and heterogeneous clusters respectively.  
123 The results of the experiments show significant energy
124 consumption reductions. All the experimental results were conducted over 
125 Simgrid simulator \cite{SimGrid}, which offers easy tools to create a homogeneous and heterogeneous platforms. In this paper, a new frequencies selecting algorithm
126 adapted for heterogeneous grid platform is presented and executed over real testbed, 
127 the grid'5000 platform \cite{grid5000}. It selects the vector of
128 frequencies, for a heterogeneous grid platform running a message passing iterative
129 application, that simultaneously tries to offer the maximum energy reduction and
130 minimum performance degradation ratio. The algorithm has a very small overhead,
131 works online and does not need any training or profiling.}
132
133 \textcolor{blue}{
134 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
135 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
136 execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents
137 an energy model that predicts the energy consumption of an application running
138 over a heterogeneous grid. Section~\ref{sec.compet} presents the
139 energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
140 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
141 Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequencies selecting algorithm.
142 Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on the 
143 NAS parallel benchmarks and executing them on a grid'5000 testbed. 
144 It shows the results of running different scenarios using multi-cores and one core per node 
145 and comparing them. It also shows the results of running
146 three different power scenarios and comparing them. Moreover, it shows the
147 comparison results between the proposed method and an existing method.  Finally,
148 in Section~\ref{sec.concl} the paper ends with a summary and some future works.}
149
150 \section{Related works}
151 \label{sec.relwork}
152
153 DVFS is a technique used in modern processors to scale down both the voltage and
154 the frequency of the CPU while computing, in order to reduce the energy
155 consumption of the processor. DVFS is also allowed in GPUs to achieve the same
156 goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and may
157 degrade the performance of the application running on that processor, especially
158 if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a
159 processor to satisfy some objectives, while taking into account all the
160 constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different
161 strategies to tackle this problem. Some of them developed online methods that
162 compute the new frequency while executing the application, such
163 as~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}.
164 Others used offline methods that may need to run the application and profile
165 it before selecting the new frequency, such
166 as~\cite{Rountree_Bounding.energy.consumption.in.MPI,Cochran_Pack_and_Cap_Adaptive_DVFS}.
167 The methods could be heuristics, exact or brute force methods that satisfy
168 varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be
169 adapted to the execution's environment and the type of the application such as
170 sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous
171 platform, synchronous or asynchronous application, \dots{}
172
173 In this paper, we are interested in reducing energy for message passing
174 iterative synchronous applications running over heterogeneous grid platforms.  Some
175 works have already been done for such platforms and they can be classified into
176 two types of heterogeneous platforms:
177 \begin{itemize}
178 \item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
179 \item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
180 \end{itemize}
181
182 For the first type of platform, the computing intensive parallel tasks are
183 executed on the GPUs and the rest are executed on the CPUs.  Luley et
184 al.~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed a
185 heterogeneous cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main
186 goal was to maximize the energy efficiency of the platform during computation by
187 maximizing the number of FLOPS per watt generated.
188 In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et
189 al. developed a scheduling algorithm that distributes workloads proportional to
190 the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks
191 must be completed at the same time.  In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU},
192 Rong et al. showed that a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables
193 DVFS gave better energy and performance efficiency than other clusters only
194 composed of CPUs.
195
196 The work presented in this paper concerns the second type of platform, with
197 heterogeneous CPUs.  Many methods were conceived to reduce the energy
198 consumption of this type of platform.  Naveen et
199 al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} developed a method that
200 minimizes the value of $\mathit{energy}\times \mathit{delay}^2$ (the delay is
201 the sum of slack times that happen during synchronous communications) by
202 dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster.
203 Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} proposed an
204 algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and non
205 critical tasks. The algorithm scales down the frequency of non critical tasks
206 proportionally to their slack and communication times while limiting the
207 performance degradation percentage to less than \np[\%]{10}.
208 In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS}, they developed a
209 heterogeneous cluster composed of two types of Intel and AMD processors. They
210 use a gradient method to predict the impact of DVFS operations on performance.
211 In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and
212 \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, the best
213 frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using
214 some heuristic.  Chen et
215 al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic
216 programming approach to minimize the power consumption of heterogeneous servers
217 while respecting given time constraints.  This approach had considerable
218 overhead.  In contrast to the above described papers, this paper presents the
219 following contributions :
220 \begin{enumerate}
221 \item two new energy and performance models for message passing iterative
222   synchronous applications running over a heterogeneous grid platform. Both models
223   take into account communication and slack times. The models can predict the
224   required energy and the execution time of the application.
225
226 \item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous grid
227   platforms. The algorithm has a very small overhead and does not need any
228   training or profiling. It uses a new optimization function which
229   simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption
230   of a message passing iterative synchronous application.
231
232 \end{enumerate}
233
234
235
236 \section{The performance and energy consumption measurements on heterogeneous grid architecture}
237 \label{sec.exe}
238
239 \subsection{The execution time of message passing distributed iterative
240   applications on a heterogeneous platform}
241
242 In this paper, we are interested in reducing the energy consumption of message
243 passing distributed iterative synchronous applications running over
244 heterogeneous grid platforms. A heterogeneous grid platform could be defined as a collection of
245 heterogeneous computing clusters interconnected via a long distance network which has lower bandwidth 
246 and higher latency than the local networks of the clusters. Each computing cluster in the grid is composed of homogeneous nodes that are connected together via high speed network. Therefore, each cluster has different characteristics such as computing power (FLOPS), energy consumption, CPU's frequency range, network bandwidth and latency.
247
248 \begin{figure}[!t]
249   \centering
250   \includegraphics[scale=0.6]{fig/commtasks}
251   \caption{Parallel tasks on a heterogeneous platform}
252   \label{fig:heter}
253 \end{figure}
254
255 The overall execution time of a distributed iterative synchronous application 
256 over a heterogeneous grid consists of the sum of the computation time and 
257 the communication time for every iteration on a node. However, due to the
258 heterogeneous computation power of the computing clusters, slack times may occur
259 when fast nodes have to wait, during synchronous communications, for the slower
260 nodes to finish their computations (see Figure~\ref{fig:heter}).  Therefore, the
261 overall execution time of the program is the execution time of the slowest task 
262 which has the highest computation time and no slack time.
263
264 Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DVFS) is a process, implemented in
265 modern processors, that reduces the energy consumption of a CPU by scaling
266 down its voltage and frequency.  Since DVFS lowers the frequency of a CPU
267 and consequently its computing power, the execution time of a program running
268 over that scaled down processor may increase, especially if the program is
269 compute bound.  The frequency reduction process can be  expressed by the scaling
270 factor S which is the ratio between  the maximum and the new frequency of a CPU
271 as in (\ref{eq:s}).
272 \begin{equation}
273   \label{eq:s}
274   S = \frac{\Fmax}{\Fnew}
275 \end{equation}
276 The execution time of a compute bound sequential program is linearly
277 proportional to the frequency scaling factor $S$.  On the other hand, message
278 passing distributed applications consist of two parts: computation and
279 communication.  The execution time of the computation part is linearly
280 proportional to the frequency scaling factor $S$ but the communication time is
281 not affected by the scaling factor because the processors involved remain idle
282 during the communications~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  The
283 communication time for a task is the summation of periods of time that begin
284 with an MPI call for sending or receiving a message until the message is
285 synchronously sent or received.
286
287 Since in a heterogeneous grid each cluster has different characteristics,
288 especially different frequency gears, when applying DVFS operations on the nodes 
289 of these clusters, they may get different scaling factors represented by a scaling vector:
290 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ where $S_{ij}$ is the scaling factor of processor $j$ in cluster $i$ . To
291 be able to predict the execution time of message passing synchronous iterative
292 applications running over a heterogeneous grid, for different vectors of
293 scaling factors, the communication time and the computation time for all the
294 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
295 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
296 vector of scaling factors can be predicted using (\ref{eq:perf}).
297 \begin{equation}
298   \label{eq:perf}
299   \Tnew = \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\TcpOld[ij]} \cdot S_{ij}) 
300   +\mathop{\min_{j=1,\dots,M}}  (\Tcm[hj])
301 \end{equation}
302
303 where $N$ is the number of  clusters in the grid, $M$ is the number of  nodes in
304 each cluster, $\TcpOld[ij]$ is the computation time of processor $j$ in the cluster $i$ 
305 and $\Tcm[hj]$ is the communication time of processor $j$ in the cluster $h$ during the 
306 first  iteration. The model computes the maximum computation time with scaling factor 
307 from each node added to the communication time of the slowest node in the slowest cluster $h$.
308 It means only the communication time without any slack time is taken into account.  
309 Therefore, the execution time of the iterative application is equal to
310 the execution time of one iteration as in (\ref{eq:perf}) multiplied by the
311 number of iterations of that application.
312
313 This prediction model is developed from the model to predict the execution time
314 of message passing distributed applications for homogeneous and heterogeneous clusters
315 ~\cite{Our_first_paper,pdsec2015}.  The execution time prediction model is
316 used in the method to optimize both the energy consumption and the performance
317 of iterative methods, which is presented in the following sections.
318
319
320 \subsection{Energy model for heterogeneous grid platform}
321
322 Many researchers~\cite{Malkowski_energy.efficient.high.performance.computing,
323   Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,
324   Rizvandi_Some.Observations.on.Optimal.Frequency} divide the power consumed by
325 a processor into two power metrics: the static and the dynamic power.  While the
326 first one is consumed as long as the computing unit is turned on, the latter is
327 only consumed during computation times.  The dynamic power $\Pd$ is related to
328 the switching activity $\alpha$, load capacitance $\CL$, the supply voltage $V$
329 and operational frequency $F$, as shown in (\ref{eq:pd}).
330 \begin{equation}
331   \label{eq:pd}
332   \Pd = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot F
333 \end{equation}
334 The static power $\Ps$ captures the leakage power as follows:
335 \begin{equation}
336   \label{eq:ps}
337    \Ps  = V \cdot \Ntrans \cdot \Kdesign \cdot \Ileak
338 \end{equation}
339 where V is the supply voltage, $\Ntrans$ is the number of transistors,
340 $\Kdesign$ is a design dependent parameter and $\Ileak$ is a
341 technology dependent parameter.  The energy consumed by an individual processor
342 to execute a given program can be computed as:
343 \begin{equation}
344   \label{eq:eind}
345   \Eind =  \Pd \cdot \Tcp + \Ps \cdot T
346 \end{equation}
347 where $T$ is the execution time of the program, $\Tcp$ is the computation
348 time and $\Tcp \le T$.  $\Tcp$ may be equal to $T$ if there is no
349 communication and no slack time.
350
351 The main objective of DVFS operation is to reduce the overall energy
352 consumption~\cite{Le_DVFS.Laws.of.Diminishing.Returns}.  The operational
353 frequency $F$ depends linearly on the supply voltage $V$, i.e., $V = \beta \cdot
354 F$ with some constant $\beta$.~This equation is used to study the change of the
355 dynamic voltage with respect to various frequency values
356 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}.  The reduction process of the
357 frequency can be expressed by the scaling factor $S$ which is the ratio between
358 the maximum and the new frequency as in (\ref{eq:s}).  The CPU governors are
359 power schemes supplied by the operating system's kernel to lower a core's
360 frequency. The new frequency $\Fnew$ from (\ref{eq:s}) can be calculated as
361 follows:
362 \begin{equation}
363   \label{eq:fnew}
364    \Fnew = S^{-1} \cdot \Fmax
365 \end{equation}
366 Replacing $\Fnew$ in (\ref{eq:pd}) as in (\ref{eq:fnew}) gives the following
367 equation for dynamic power consumption:
368 \begin{multline}
369   \label{eq:pdnew}
370    \PdNew = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fnew = \alpha \cdot \CL \cdot \beta^2 \cdot \Fnew^3 \\
371    {} = \alpha \cdot \CL \cdot V^2 \cdot \Fmax \cdot S^{-3} = \PdOld \cdot S^{-3}
372 \end{multline}
373 where $\PdNew$  and $\PdOld$ are the  dynamic power consumed with the
374 new frequency and the maximum frequency respectively.
375
376 According to (\ref{eq:pdnew}) the dynamic power is reduced by a factor of
377 $S^{-3}$ when reducing the frequency by a factor of
378 $S$~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy}. Since the FLOPS of a CPU is
379 proportional to the frequency of a CPU, the computation time is increased
380 proportionally to $S$.  The new dynamic energy is the dynamic power multiplied
381 by the new time of computation and is given by the following equation:
382 \begin{equation}
383   \label{eq:Edyn}
384    \EdNew = \PdOld \cdot S^{-3} \cdot (\Tcp \cdot S)= S^{-2}\cdot \PdOld \cdot  \Tcp
385 \end{equation}
386 The static power is related to the power leakage of the CPU and is consumed
387 during computation and even when idle. As
388 in~\cite{Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling},
389 the static power of a processor is considered as constant during idle and
390 computation periods, and for all its available frequencies.  The static energy
391 is the static power multiplied by the execution time of the program.  According
392 to the execution time model in (\ref{eq:perf}), the execution time of the
393 program is the sum of the computation and the communication times. The
394 computation time is linearly related to the frequency scaling factor, while this
395 scaling factor does not affect the communication time.  The static energy of a
396 processor after scaling its frequency is computed as follows:
397 \begin{equation}
398   \label{eq:Estatic}
399   \Es = \Ps \cdot (\Tcp \cdot S  + \Tcm)
400 \end{equation}
401
402 In the considered heterogeneous grid platform, each node $j$ in cluster $i$ may have
403 different dynamic and static powers from the nodes of the other clusters, 
404 noted as $\Pd[ij]$ and $\Ps[ij]$ respectively.  Therefore, even if the distributed 
405 message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $j$ 
406 in cluster $i$ noted $\Tcp[ij]$ may be different and different frequency scaling factors may be
407 computed in order to decrease the overall energy consumption of the application
408 and reduce slack times.  The communication time of a processor $j$ in cluster $i$ is noted as
409 $\Tcm[ij]$ and could contain slack times when communicating with slower nodes,
410 see Figure~\ref{fig:heter}.  Therefore, all nodes do not have equal
411 communication times. While the dynamic energy is computed according to the
412 frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in
413 (\ref{eq:Edyn}), the static energy is computed as the sum of the execution time
414 of one iteration multiplied by the static power of each processor.  The overall
415 energy consumption of a message passing distributed application executed over a
416 heterogeneous grid platform during one iteration is the summation of all dynamic and
417 static energies for $M$ processors in $N$ clusters.  It is computed as follows:
418 \begin{multline}
419   \label{eq:energy}
420  E = \sum_{i=1}^{N} \sum_{i=1}^{M} {(S_{ij}^{-2} \cdot \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])} +  
421  \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot {} \\
422   (\mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}({\Tcp[ij]} \cdot S_{ij}) 
423   +\mathop{\min_{j=1,\dots M}} (\Tcm[hj]) ))
424 \end{multline}
425
426 Reducing the frequencies of the processors according to the vector of scaling
427 factors $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$ may degrade the performance of the application
428 and thus, increase the static energy because the execution time is
429 increased~\cite{Kim_Leakage.Current.Moore.Law}. The overall energy consumption
430 for the iterative application can be measured by measuring the energy
431 consumption for one iteration as in (\ref{eq:energy}) multiplied by the number
432 of iterations of that application.
433
434 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
435 \label{sec.compet}
436
437 Using the lowest frequency for each processor does not necessarily give the most
438 energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic
439 power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its
440 computation power is proportionally decreased. Hence, the execution time might
441 be drastically increased and during that time, dynamic and static powers are
442 being consumed.  Therefore, it might cancel any gains achieved by scaling down
443 the frequency of all nodes to the minimum and the overall energy consumption of
444 the application might not be the optimal one.  It is not trivial to select the
445 appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the
446 characteristics of each processor (computation power, range of frequencies,
447 dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication
448 ratio). The aim being to reduce the overall energy consumption and to avoid
449 increasing significantly the execution time.
450 \textcolor{blue}{  In our previous
451 works~\cite{Our_first_paper} and \cite{pdsec2015}, we proposed a methods that select the optimal
452 frequency scaling factors for a homogeneous and a heterogeneous clusters respectively. 
453 Both of the two methods executing a message passing
454 iterative synchronous application while giving the best trade-off between the
455 energy consumption and the performance for such applications.  In this work we
456 are interested in heterogeneous grid as described above.}
457 Due to the
458 heterogeneity of the processors, a vector of scaling factors should be selected
459 and it must give the best trade-off between energy consumption and performance.
460
461 The relation between the energy consumption and the execution time for an
462 application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the
463 execution time and the scaling factor, the relation between the energy and the
464 frequency scaling factors is nonlinear, for more details refer
465 to~\cite{Freeh_Exploring.the.Energy.Time.Tradeoff}.  Moreover, these relations
466 are not measured using the same metric.  To solve this problem, the execution
467 time is normalized by computing the ratio between the new execution time (after
468 scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with
469 maximum frequency for all nodes) as follows:
470 \begin{equation}
471   \label{eq:pnorm}
472   \Pnorm = \frac{\Tnew}{\Told}                 
473 \end{equation}
474
475
476 Where $Tnew$ is computed as in (\ref{eq:perf}) and $Told$ is computed as in (\ref{eq:told})
477 \begin{equation}
478   \label{eq:told}
479    \Told = \mathop{\max_{i=1,2,\dots,N}}_{j=1,2,\dots,M} (\Tcp[ij]+\Tcm[ij])             
480 \end{equation}
481 In the same way, the energy is normalized by computing the ratio between the
482 consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with
483 maximum frequency for all  nodes:
484 \begin{equation}
485   \label{eq:enorm}
486   \Enorm = \frac{\Ereduced}{\Eoriginal} 
487 \end{equation}
488
489 Where $\Ereduced$  is computed using (\ref{eq:energy}) and $\Eoriginal$ is 
490 computed as in (\ref{eq:eorginal}).
491
492
493 \begin{equation}
494   \label{eq:eorginal}
495     \Eoriginal = \sum_{i=1}^{N} \sum_{j=1}^{M} ( \Pd[ij] \cdot  \Tcp[ij])  + 
496      \mathop{\sum_{i=1}^{N}} \sum_{j=1}^{M} (\Ps[ij] \cdot \Told)       
497 \end{equation}
498
499 While the main goal is to optimize the energy and execution time at the same
500 time, the normalized energy and execution time curves do not evolve (increase/decrease) in the same way. 
501 According to the equations~(\ref{eq:pnorm}) and (\ref{eq:enorm}), the
502 vector of frequency scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy
503 and the execution time simultaneously.  But the main objective is to produce
504 maximum energy reduction with minimum execution time reduction.
505
506 This problem can be solved by making the optimization process for energy and
507 execution time follow the same evolution according to the vector of scaling factors
508 $(S_{11}, S_{12},\dots, S_{NM})$. Therefore, the equation of the
509 normalized execution time is inverted which gives the normalized performance
510 equation, as follows:
511 \begin{equation}
512   \label{eq:pnorm_inv}
513   \Pnorm = \frac{\Told}{\Tnew}          
514 \end{equation}
515
516 \begin{figure}[!t]
517   \centering
518   \subfloat[Homogeneous cluster]{%
519     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/homo}\label{fig:r1}}%
520
521   \subfloat[Heterogeneous grid]{%
522     \includegraphics[width=.33\textwidth]{fig/heter}\label{fig:r2}}
523   \label{fig:rel}
524   \caption{The energy and performance relation}
525 \end{figure}
526
527 Then, the objective function can be modeled in order to find the maximum
528 distance between the energy curve (\ref{eq:enorm}) and the performance curve
529 (\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
530 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (maximum
531 performance) at the same time, see Figure~\ref{fig:r1} or
532 Figure~\ref{fig:r2}. Then the objective function has the following form:
533 \begin{equation}
534   \label{eq:max}
535   \MaxDist =
536 \mathop{  \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}}_{k=1,\dots,F}
537       (\overbrace{\Pnorm(S_{ijk})}^{\text{Maximize}} -
538        \overbrace{\Enorm(S_{ijk})}^{\text{Minimize}} )
539 \end{equation}
540 where $N$ is the number of clusters, $M$ is the number of nodes in each cluster and
541 $F$ is the number of available frequencies for each node.  Then, the optimal set 
542 of scaling factors that satisfies (\ref{eq:max}) can be selected.  
543 The objective function can work with any energy model or any power 
544 values for each node (static and dynamic powers). However, the most important 
545 energy reduction gain can be achieved when the energy curve has a convex form as shown 
546 in~\cite{Zhuo_Energy.efficient.Dynamic.Task.Scheduling,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy,Hao_Learning.based.DVFS}.
547
548 \section{The scaling factors selection algorithm for  grids }
549 \label{sec.optim}
550
551 \begin{algorithm}
552   \begin{algorithmic}[1]
553     % \footnotesize
554     \Require ~
555     \begin{description}
556     \item [{$N$}] number of clusters in the grid.
557     \item [{$M$}] number of nodes in each cluster.
558     \item[{$\Tcp[ij]$}] array of all computation times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
559     \item[{$\Tcm[ij]$}] array of all communication times for all nodes during one iteration and with the highest frequency.
560     \item[{$\Fmax[ij]$}] array of the maximum frequencies for all nodes.
561     \item[{$\Pd[ij]$}] array of the dynamic powers for all nodes.
562     \item[{$\Ps[ij]$}] array of the static powers for all nodes.
563     \item[{$\Fdiff[ij]$}] array of the differences between two successive frequencies for all nodes.
564     \end{description}
565     \Ensure $\Sopt[11],\Sopt[12] \dots, \Sopt[NM_i]$,  a vector of scaling factors that gives the optimal tradeoff between energy consumption and execution time
566
567     \State $\Scp[ij] \gets \frac{\max_{i=1,2,\dots,N}(\max_{j=1,2,\dots,M_i}(\Tcp[ij]))}{\Tcp[ij]} $
568     \State $F_{ij} \gets  \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[i]},~{i=1,2,\cdots,N},~{j=1,2,\dots,M_i}.$
569     \State Round the computed initial frequencies $F_i$ to the closest  available frequency for each node.
570     \If{(not the first frequency)}
571           \State $F_{ij} \gets F_{ij}+\Fdiff[ij],~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}.$
572     \EndIf
573     \State $\Told \gets $ computed as in equations (\ref{eq:told}).
574     \State $\Eoriginal \gets $ computed as in equations (\ref{eq:eorginal}) .
575     \State $\Sopt[ij] \gets 1,~i=1,\dots,N,~{j=1,\dots,M_i}. $
576     \State $\Dist \gets 0 $
577     \While {(all nodes have not reached their  minimum   \newline\hspace*{2.5em} frequency \textbf{or}  $\Pnorm - \Enorm < 0 $)}
578         \If{(not the last freq. \textbf{and} not the slowest node)}
579         \State $F_{ij} \gets F_{ij} - \Fdiff[ij],~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}$.
580         \State $S_{ij} \gets \frac{\Fmax[ij]}{F_{ij}},~{i=1,\dots,N},~{j=1,\dots,M_i}.$
581         \EndIf
582        \State $\Tnew \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:perf}). 
583        \State $\Ereduced \gets $ computed as  in equations (\ref{eq:energy}). 
584        \State $\Pnorm \gets \frac{\Told}{\Tnew}$
585        \State $\Enorm\gets \frac{\Ereduced}{\Eoriginal}$
586       \If{$(\Pnorm - \Enorm > \Dist)$}
587         \State $\Sopt[ij] \gets S_{ij},~i=1,\dots,N,~j=1,\dots,M_i. $
588         \State $\Dist \gets \Pnorm - \Enorm$
589       \EndIf
590     \EndWhile
591     \State  Return $\Sopt[11],\Sopt[12],\dots,\Sopt[NM_i]$
592   \end{algorithmic}
593   \caption{Scaling factors selection algorithm}
594   \label{HSA}
595 \end{algorithm}
596
597 \begin{algorithm}
598   \begin{algorithmic}[1]
599     % \footnotesize
600     \For {$k=1$ to \textit{some iterations}}
601       \State Computations section.
602       \State Communications section.
603       \If {$(k=1)$}
604         \State Gather all times of computation and\newline\hspace*{3em}%
605                communication from each node.
606         \State Call Algorithm \ref{HSA}.
607         \State Compute the new frequencies from the\newline\hspace*{3em}%
608                returned optimal scaling factors.
609         \State Set the new frequencies to nodes.
610       \EndIf
611     \EndFor
612   \end{algorithmic}
613   \caption{DVFS algorithm}
614   \label{dvfs}
615 \end{algorithm}
616
617
618 In this section, the scaling factors selection algorithm for  grids, algorithm~\ref{HSA}, is presented. It selects the vector of the frequency
619 scaling factors  that gives the best trade-off between minimizing the
620 energy consumption and maximizing the performance of a message passing
621 synchronous iterative application executed on a  grid. It works
622 online during the execution time of the iterative message passing program.  It
623 uses information gathered during the first iteration such as the computation
624 time and the communication time in one iteration for each node. The algorithm is
625 executed after the first iteration and returns a vector of optimal frequency
626 scaling factors that satisfies the objective function (\ref{eq:max}). The
627 program applies DVFS operations to change the frequencies of the CPUs according
628 to the computed scaling factors.  This algorithm is called just once during the
629 execution of the program. Algorithm~\ref{dvfs} shows where and when the proposed
630 scaling algorithm is called in the iterative MPI program.
631
632 \begin{figure}[!t]
633   \centering
634   \includegraphics[scale=0.45]{fig/init_freq}
635   \caption{Selecting the initial frequencies}
636   \label{fig:st_freq}
637 \end{figure}
638
639 Nodes from distinct clusters in a grid have different computing powers, thus
640 while executing message passing iterative synchronous applications, fast nodes
641 have to wait for the slower ones to finish their computations before being able
642 to synchronously communicate with them as in Figure~\ref{fig:heter}.  These
643 periods are called idle or slack times.  The algorithm takes into account this
644 problem and tries to reduce these slack times when selecting the vector of the frequency
645 scaling factors. At first, it selects initial frequency scaling factors
646 that increase the execution times of fast nodes and minimize the differences
647 between the computation times of fast and slow nodes. The value of the initial
648 frequency scaling factor for each node is inversely proportional to its
649 computation time that was gathered from the first iteration. These initial
650 frequency scaling factors are computed as a ratio between the computation time
651 of the slowest node and the computation time of the node $i$ as follows:
652 \begin{equation}
653   \label{eq:Scp}
654   \Scp[ij] =  \frac{ \mathop{\max_{i=1,\dots N}}_{j=1,\dots,M}(\Tcp[ij])} {\Tcp[ij]}
655 \end{equation}
656 Using the initial frequency scaling factors computed in (\ref{eq:Scp}), the
657 algorithm computes the initial frequencies for all nodes as a ratio between the
658 maximum frequency of node $i$ and the computation scaling factor $\Scp[i]$ as
659 follows:
660 \begin{equation}
661   \label{eq:Fint}
662   F_{ij} = \frac{\Fmax[ij]}{\Scp[ij]},~{i=1,2,\dots,N},~{j=1,\dots,M}
663 \end{equation}
664 If the computed initial frequency for a node is not available in the gears of
665 that node, it is replaced by the nearest available frequency.  In
666 Figure~\ref{fig:st_freq}, the nodes are sorted by their computing powers in
667 ascending order and the frequencies of the faster nodes are scaled down
668 according to the computed initial frequency scaling factors.  The resulting new
669 frequencies are highlighted in Figure~\ref{fig:st_freq}.  This set of
670 frequencies can be considered as a higher bound for the search space of the
671 optimal vector of frequencies because selecting higher frequencies
672 than the higher bound will not improve the performance of the application and it
673 will increase its overall energy consumption.  Therefore the algorithm that
674 selects the frequency scaling factors starts the search method from these
675 initial frequencies and takes a downward search direction toward lower
676 frequencies until reaching the nodes' minimum frequencies or lower bounds. A node's frequency is considered its lower bound if the computed distance between the energy and performance at this frequency is less than zero.
677 A negative distance means that the performance degradation ratio is higher than the energy saving ratio.
678 In this situation, the algorithm must stop the downward search because it has reached the lower bound and it is useless to test the lower frequencies. Indeed, they will all give worse distances. 
679
680 Therefore, the algorithm iterates on all remaining frequencies, from the higher
681 bound until all nodes reach their minimum frequencies or their lower bounds, to compute the overall
682 energy consumption and performance and selects the optimal vector of the frequency scaling
683 factors. At each iteration the algorithm determines the slowest node
684 according to the equation (\ref{eq:perf}) and keeps its frequency unchanged,
685 while it lowers the frequency of all other nodes by one gear.  The new overall
686 energy consumption and execution time are computed according to the new scaling
687 factors.  The optimal set of frequency scaling factors is the set that gives the
688 highest distance according to the objective function (\ref{eq:max}).
689
690 Figures~\ref{fig:r1} and \ref{fig:r2} illustrate the normalized performance and
691 consumed energy for an application running on a homogeneous cluster and a
692  grid platform respectively while increasing the scaling factors. It can
693 be noticed that in a homogeneous cluster the search for the optimal scaling
694 factor should start from the maximum frequency because the performance and the
695 consumed energy decrease from the beginning of the plot. On the other hand, in
696 the  grid platform the performance is maintained at the beginning of the
697 plot even if the frequencies of the faster nodes decrease until the computing
698 power of scaled down nodes are lower than the slowest node. In other words,
699 until they reach the higher bound. It can also be noticed that the higher the
700 difference between the faster nodes and the slower nodes is, the bigger the
701 maximum distance between the energy curve and the performance curve is, which results in bigger energy savings. 
702
703
704 \section{Experimental results}
705 \label{sec.expe}
706 While in~\cite{pdsec2015} the energy  model and the scaling factors selection algorithm were applied to a heterogeneous cluster and  evaluated over the SimGrid simulator~\cite{SimGrid}, 
707 in this paper real experiments were conducted over the grid'5000 platform. 
708
709 \subsection{Grid'5000 architature and power consumption}
710 \label{sec.grid5000}
711 Grid'5000~\cite{grid5000} is a large-scale testbed that consists of ten sites distributed over all metropolitan France and Luxembourg. All the sites are connected together via         a special long distance network called RENATER,
712 which is the French National Telecommunication Network for Technology.
713 Each site of the grid is composed of few heterogeneous 
714 computing clusters and each cluster contains many homogeneous nodes. In total,
715 grid'5000 has about  one thousand heterogeneous nodes and eight thousand cores.  In each site,
716 the clusters and their nodes are connected via  high speed local area networks. 
717 Two types of local networks are used, Ethernet or Infiniband networks which have  different characteristics in terms of bandwidth and latency.  
718
719 Since grid'5000 is dedicated for testing, contrary to production grids it allows a user to deploy its own customized operating system on all the booked nodes. The user could have root rights and thus apply DVFS operations while executing a distributed application. Moreover, the grid'5000 testbed provides at some sites a power measurement tool to capture 
720 the power consumption  for each node in those sites. The measured power is the overall consumed power by by all the components of a node at a given instant, such as CPU, hard drive, main-board, memory, ...  For more details refer to
721 \cite{Energy_measurement}. To just measure the CPU power of one core in a node $j$, 
722  firstly,  the power consumed by the node while being idle at instant $y$, noted as $\Pidle[jy]$, was measured. Then, the power was measured while running a single thread benchmark with no communication (no idle time) over the same node with its CPU scaled to the maximum available frequency. The latter power measured at time $x$ with maximum frequency for one core of node $j$ is noted $\Pmax[jx]$. The difference between the two measured power consumption represents the 
723 dynamic power consumption of that core with the maximum frequency, see  figure(\ref{fig:power_cons}). 
724
725
726 The dynamic power $\Pd[j]$ is computed as in equation (\ref{eq:pdyn})
727 \begin{equation}
728   \label{eq:pdyn}
729     \Pd[j] = \max_{x=\beta_1,\dots \beta_2} (\Pmax[jx])  -  \min_{y=\Theta_1,\dots \Theta_2} (\Pidle[jy])
730 \end{equation}
731
732 where $\Pd[j]$ is the dynamic power consumption for one core of node $j$, 
733 $\lbrace \beta_1,\beta_2 \rbrace$ is the time interval for the measured maximum power values, 
734 $\lbrace\Theta_1,\Theta_2\rbrace$ is the time interval for the measured  idle power values.
735 Therefore, the dynamic power of one core is computed as the difference between the maximum 
736 measured value in maximum powers vector and the minimum measured value in the idle powers vector.
737
738 On the other hand, the static power consumption by one core is a part of the measured idle power consumption of the node. Since in grid'5000 there is no way to measure precisely the consumed static power and in~\cite{Our_first_paper,pdsec2015,Rauber_Analytical.Modeling.for.Energy} it was assumed that  the static power  represents a ratio of the dynamic power, the value of the static power is assumed as  20\% of dynamic power consumption of the core.
739
740 In the experiments presented in the following sections, two sites of grid'5000 were used, Lyon and Nancy sites. These two sites have in total seven different clusters as in figure (\ref{fig:grid5000}).
741
742 Four clusters from the two sites were selected in the experiments: one cluster from 
743 Lyon's site, Taurus cluster, and three clusters from Nancy's site, Graphene, 
744 Griffon and Graphite. Each one of these clusters has homogeneous nodes inside, while nodes from different clusters are heterogeneous in many aspects such as: computing power, power consumption, available 
745 frequency ranges and local network features: the bandwidth and the latency.  Table \ref{table:grid5000} shows 
746 the details characteristics of these four clusters. Moreover, the dynamic powers were computed  using the equation (\ref{eq:pdyn}) for all the nodes in the 
747 selected clusters and are presented in table  \ref{table:grid5000}.
748
749
750 \begin{figure}[!t]
751   \centering
752   \includegraphics[scale=1]{fig/grid5000}
753   \caption{The selected two sites of grid'5000}
754   \label{fig:grid5000}
755 \end{figure}
756
757 The energy model and the scaling factors selection algorithm were applied to the NAS parallel benchmarks v3.3 \cite{NAS.Parallel.Benchmarks} and evaluated over grid'5000.
758 The benchmark suite contains seven applications: CG, MG, EP, LU, BT, SP and FT. These applications have different computations and communications ratios and strategies which make them good testbed applications to evaluate the proposed algorithm and energy model.
759 The benchmarks have seven different classes, S, W, A, B, C, D and E, that represent the size of the problem that the method solves. In this work, the class D was used for all benchmarks in all the experiments presented in the next sections. 
760
761
762
763
764 \begin{figure}[!t]
765   \centering
766   \includegraphics[scale=0.6]{fig/power_consumption.pdf}
767   \caption{The power consumption by one core from Taurus cluster}
768   \label{fig:power_cons}
769 \end{figure}
770
771
772
773   
774 \begin{table}[!t]
775   \caption{CPUs characteristics of the selected clusters}
776   % title of Table
777   \centering
778   \begin{tabular}{|*{7}{c|}}
779     \hline
780     Cluster     & CPU         & Max   & Min   & Diff. & no. of cores    & dynamic power   \\
781     Name        & model       & Freq. & Freq. & Freq. & per CPU         & of one core     \\
782                 &             & GHz   & GHz   & GHz   &                 &           \\
783     \hline
784     Taurus      & Intel       & 2.3  & 1.2  & 0.1     & 6               & \np[W]{35} \\
785                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
786                 & E5-2630     &       &       &       &                 &            \\         
787     \hline
788     Graphene    & Intel       & 2.53  & 1.2   & 0.133 & 4               & \np[W]{23} \\
789                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
790                 & X3440       &       &       &       &                 &            \\    
791     \hline
792     Griffon     & Intel       & 2.5   & 2     & 0.5   & 4               & \np[W]{46} \\
793                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
794                 & L5420       &       &       &       &                 &            \\  
795     \hline
796     Graphite    & Intel       & 2     & 1.2   & 0.1   & 8               & \np[W]{35} \\
797                 & Xeon        &       &       &       &                 &            \\
798                 & E5-2650     &       &       &       &                 &            \\  
799     \hline
800   \end{tabular}
801   \label{table:grid5000}
802 \end{table} 
803
804
805
806 \subsection{The experimental results of the scaling algorithm}
807 \label{sec.res}
808 In this section, the results of the application of the scaling factors selection algorithm \ref{HSA} 
809 to the NAS parallel benchmarks are presented. 
810
811 As mentioned previously, the experiments 
812 were conducted over two sites of grid'5000,  Lyon and Nancy sites. 
813 Two scenarios were considered while selecting the clusters from these two sites :
814 \begin{itemize}
815 \item In the first scenario, nodes from two sites and three heterogeneous clusters were selected. The two sites are connected 
816  via a long distance network.
817 \item In the second scenario nodes from three clusters that are located in one site, Nancy site.  
818 \end{itemize}
819
820 The main reason 
821 behind using these two scenarios is to evaluate the influence of long distance communications (higher latency) on the performance of the 
822 scaling factors selection algorithm. Indeed, in the first scenario the computations to communications ratio 
823 is very low due to the higher communication times which reduces the effect of DVFS operations.
824
825 The NAS parallel benchmarks are executed over 
826 16 and 32 nodes for each scenario. The number of participating computing nodes form each cluster 
827 are different because all the selected clusters do not have the same available number of nodes and all benchmarks do not require the same number of computing nodes.
828 Table \ref{tab:sc} shows the number of nodes used from each cluster for each scenario. 
829
830 \begin{table}[h]
831
832 \caption{The different clusters scenarios}
833 \centering
834 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
835 \hline
836 \multirow{2}{*}{Scenario name}        & \multicolumn{3}{c|} {The participating clusters} \\ \cline{2-4} 
837                                       & Cluster & Site           & No. of  nodes     \\ 
838 \hline
839 \multirow{3}{*}{Two sites / 16 nodes} & Taurus & Lyon                & 5                      \\ \cline{2-4} 
840                                       & Graphene  & Nancy             & 5                      \\ \cline{2-4} 
841                                       & Griffon       & Nancy        & 6                      \\ 
842 \hline
843 \multirow{3}{*}{Tow sites / 32 nodes} & Taurus  & Lyon               & 10                     \\ \cline{2-4} 
844                                       & Graphene  & Nancy             & 10                     \\ \cline{2-4} 
845                                       & Griffon     &Nancy           & 12                     \\ 
846 \hline
847 \multirow{3}{*}{One site / 16 nodes}  & Graphite    & Nancy            & 4                      \\ \cline{2-4} 
848                                       & Graphene     & Nancy           & 6                      \\ \cline{2-4} 
849                                       & Griffon         & Nancy        & 6                      \\ 
850 \hline
851 \multirow{3}{*}{One site / 32 nodes}  & Graphite   & Nancy             & 4                      \\ \cline{2-4} 
852                                       & Graphene      & Nancy          & 12                     \\ \cline{2-4} 
853                                       & Griffon          & Nancy       & 12                       \\ 
854 \hline
855 \end{tabular}
856  \label{tab:sc}
857 \end{table}
858
859 \begin{figure}
860   \centering
861   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_con_scenarios.eps}
862   \caption{The energy consumptions of NAS benchmarks over different scenarios }
863   \label{fig:eng_sen}
864 \end{figure}
865
866
867
868 \begin{figure}
869   \centering
870   \includegraphics[scale=0.5]{fig/time_scenarios.eps}
871   \caption{The execution times of NAS benchmarks over different scenarios }
872   \label{fig:time_sen}
873 \end{figure}
874
875 The NAS parallel benchmarks are executed over these two platforms
876  with different number of nodes, as in Table \ref{tab:sc}. 
877 The overall energy consumption of all the benchmarks solving the class D instance and
878 using the proposed frequency selection algorithm is measured 
879 using the equation of the reduced energy consumption, equation 
880 (\ref{eq:energy}). This model uses the measured dynamic and static 
881 power values  showed in Table \ref{table:grid5000}. The execution
882 time is measured for all the benchmarks over these different scenarios.  
883
884 The energy consumptions  and the execution times for all the benchmarks are 
885 presented in the plots \ref{fig:eng_sen} and \ref{fig:time_sen} respectively. 
886
887 For the majority of the benchmarks, the energy consumed while executing  the NAS benchmarks over one site scenario 
888 for  16 and 32 nodes is lower than the energy consumed while using two sites. 
889 The long distance communications between the two distributed sites increase the idle time, which leads to more static energy consumption. 
890
891 The execution times of these benchmarks 
892 over one site with 16 and 32 nodes are also lower when  compared to those of the  two sites 
893 scenario. Moreover, most of the benchmarks running over the one site scenario their execution times  are approximately divided by two  when the number of computing nodes is doubled from 16 to 32 nodes (linear speed up according to the number of the nodes).  
894
895 However, the  execution times and the energy consumptions of EP and MG benchmarks, which have no or small communications, are not significantly affected 
896  in both scenarios. Even when the number of nodes is doubled. On the other hand, the communications of the rest of the benchmarks increases when using long distance communications between two sites or increasing the number of computing nodes.
897
898 \begin{figure}
899   \centering
900   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_s.eps}
901   \caption{The energy saving of NAS benchmarks over different scenarios }
902   \label{fig:eng_s}
903 \end{figure}
904
905
906 \begin{figure}
907   \centering
908   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_d.eps}
909   \caption{The performance degradation of NAS benchmarks over different scenarios }
910   \label{fig:per_d}
911 \end{figure}
912
913
914 \begin{figure}
915   \centering
916   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist.eps}
917   \caption{The tradeoff distance of NAS benchmarks over different scenarios }
918   \label{fig:dist}
919 \end{figure}
920
921 The energy saving percentage is computed as the ratio between the reduced 
922 energy consumption, equation (\ref{eq:energy}), and the original energy consumption,
923 equation (\ref{eq:eorginal}), for all benchmarks as in figure \ref{fig:eng_s}. 
924 This figure shows that the energy saving percentages of one site scenario for
925 16 and 32 nodes are bigger than those of the two sites scenario which is due
926 to the higher  computations to communications ratio in the first scenario   
927 than in the second one. Moreover, the frequency selecting algorithm selects smaller frequencies when the computations times are bigger than the communication times which 
928 results in  a lower energy consumption. Indeed, the dynamic  consumed power
929 is exponentially related to the CPU's frequency value. On the other side, the increase in the number of computing nodes can 
930 increase the communication times and thus produces less energy saving depending on the 
931 benchmarks being executed. The results of the benchmarks CG, MG, BT and FT show more 
932 energy saving percentage in one site scenario when executed over 16 nodes comparing to 32 nodes. While, LU and SP consume more energy with 16 nodes than 32 in one site  because their computations to communications ratio is not affected by the increase of the number of local communications. 
933
934
935 The energy saving percentage is reduced for all the benchmarks because of the long distance communications in the two sites 
936 scenario, except for the   EP benchmark which has  no communications. Therefore, the energy saving percentage of this benchmark is 
937 dependent on the maximum difference between the computing powers of the heterogeneous computing nodes, for example 
938 in the one site scenario, the graphite cluster is selected but in the two sits scenario 
939 this cluster is replaced with Taurus cluster which is more powerful. 
940 Therefore, the energy saving of EP benchmarks are bigger in the two sites scenario due 
941 to the higher maximum difference between the computing powers of the nodes. 
942
943 In fact, high differences between the nodes' computing powers make the proposed frequencies selecting  
944 algorithm  select smaller frequencies for the powerful nodes which 
945 produces less energy consumption and thus more energy saving.
946 The best energy saving percentage was obtained in the one site scenario with 16 nodes, the energy consumption was on average reduced up to 30\%.
947
948
949 Figure \ref{fig:per_d} presents the performance degradation percentages for all benchmarks over the two scenarios.
950 The performance degradation percentage for the benchmarks running on two sites  with
951 16 or 32  nodes is on average equal to 8\% or 4\% respectively. 
952 For this scenario, the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies for the executions with 32 nodes  without significantly degrading their performance because the communication times are higher with 32 nodes which results in smaller  computations to communications ratio.  On the other hand, the performance degradation percentage  for the benchmarks running  on one site  with
953 16 or 32  nodes is on average equal to 3\% or 10\% respectively. In opposition to the two sites scenario, when the number of computing nodes is increased in the one site scenario, the performance degradation percentage is increased. Therefore, doubling the number of computing 
954 nodes when the communications occur in high speed network does not decrease the computations to 
955 communication ratio. 
956
957 The performance degradation percentage of the EP benchmark after applying the scaling factors selection algorithm is the highest in comparison to 
958 the other benchmarks. Indeed, in the EP benchmark, there are no communication and slack times and its 
959 performance degradation percentage only depends on the frequencies values selected by the algorithm for the computing nodes.
960 The rest of the benchmarks showed different performance degradation percentages, which decrease
961 when the communication times increase and vice versa.
962
963 Figure \ref{fig:dist} presents the  distance percentage between the energy saving  and the performance degradation for each benchmark  over both  scenarios. The tradeoff distance percentage can be 
964 computed as in equation \ref{eq:max}. The one site scenario with 16 nodes gives the best energy and performance 
965 tradeoff, on average it is equal to  26\%. The one site scenario using both 16 and 32 nodes had better energy and performance 
966 tradeoff comparing to the two sites scenario  because the former has high speed local communications 
967 which increase the computations to communications ratio  and the latter uses long distance communications which decrease this ratio. 
968
969
970  Finally, the best energy and performance tradeoff depends on all of the following:
971 1) the computations to communications ratio when there are  communications and slack times, 2) the heterogeneity of the computing powers of the nodes and 3) the heterogeneity of the consumed  static and dynamic powers of the nodes.
972
973
974
975
976 \subsection{The experimental results of multi-cores clusters}
977 \label{sec.res-mc}
978 The  clusters of grid'5000 have different number of cores embedded in their nodes
979 as shown in Table \ref{table:grid5000}. The cores of each node can exchange 
980 data via the shared memory \cite{rauber_book}. In 
981 this section, the proposed scaling algorithm is evaluated over the grid'5000 grid while using multi-core nodes 
982 selected according to the two  platform scenarios described in the section \ref{sec.res}.
983 The two platform scenarios, the two sites and one site scenarios, use  32 
984 cores from multi-cores nodes instead of 32 distinct nodes. For example if 
985 the participating number of cores from a certain cluster is equal to 12, 
986 in the multi-core scenario the selected nodes is equal to 3 nodes while using 
987 4 cores from each node. The platforms with one  
988 core per node and  multi-cores nodes are  shown in Table \ref{table:sen-mc}. 
989 The energy consumptions and execution times of running the NAS parallel 
990 benchmarks, class D, over these four different scenarios are presented 
991 in the figures \ref{fig:eng-cons-mc} and \ref{fig:time-mc} respectively.
992
993 The execution times for most of  the NAS  benchmarks are higher over the one site multi-cores per node scenario 
994  than the execution time of those running over one site single core per node  scenario. Indeed,  
995    the communication times  are higher in the one site multi-cores scenario than in the latter scenario because all the cores of a node  share  the same node network link which can be  saturated when running communication bound applications. 
996    
997  \textcolor{blue}{On the other hand,  the execution times for most of the NAS benchmarks  are lower over 
998 the two sites  multi-cores scenario than those over the two sites one core scenario.   ???????
999 }
1000
1001 The experiments showed that for most of the NAS benchmarks and between the four scenarios,  
1002 the one site one core scenario gives the best execution times because the communication times are the lowest. 
1003 Indeed, in this scenario each core has a dedicated network link and all the communications are local.  
1004 Moreover, the energy consumptions of the NAS benchmarks are lower over the 
1005 one site one core scenario  than over the one site multi-cores scenario because 
1006 the first scenario had less execution time than the latter which results in less static energy being consumed.
1007
1008 The computations to communications ratios of the NAS benchmarks are higher over 
1009 the one site one core scenario  when compared to the ratios of the other scenarios. 
1010 More energy reduction was achieved when this ratio is increased because the proposed scaling algorithm selects smaller frequencies that decrease the dynamic power consumption. 
1011
1012   \textcolor{blue}{ Whereas, the energy consumption in the two sites one core scenario is higher than the energy consumption of the two sites multi-core scenario. This is according to the increase in the execution time of the two sites one core scenario. }
1013
1014
1015 These experiments also showed that the energy 
1016 consumption and the execution times of the EP and MG benchmarks do not change significantly over these four 
1017 scenarios  because there are no or small communications,  
1018 which could increase or decrease the static power consumptions. Contrary to EP and MG, the  energy consumptions 
1019 and the execution times of the rest of the  benchmarks  vary according to the  communication times that are different from one scenario to the other.
1020
1021
1022 The energy saving percentages of all NAS benchmarks running over these four scenarios are presented in the figure \ref{fig:eng-s-mc}. It shows that  the energy saving percentages   over the two sites multi-cores scenario 
1023 and over the two sites one core scenario are on average  equal to 22\% and 18\%
1024 respectively. The energy saving percentages   are higher in the former scenario because  its computations to communications  ratio is higher than the ratio of the latter scenario  as mentioned previously.
1025
1026 In contrast, in the one site one 
1027 core and one site multi-cores scenarios the energy saving percentages 
1028 are approximately equivalent, on average they are up to 25\%. In both scenarios there 
1029 are a small difference  in the computations to communications ratios, which leads 
1030 the proposed scaling algorithm to select similar frequencies for both scenarios.  
1031
1032 The performance degradation percentages of the NAS benchmarks are presented in
1033 figure \ref{fig:per-d-mc}. It shows that the performance degradation percentages for the NAS benchmarks are higher over the two sites 
1034 multi-cores scenario than over the  two sites  one core scenario, equal on average to 7\% and 4\% respectively. 
1035 Moreover, using the two sites multi-cores scenario increased 
1036 the computations to communications ratio, which may increase 
1037 the overall execution time  when the proposed scaling algorithm is applied and the frequencies scaled down.  
1038
1039
1040 When the benchmarks are executed  over the one 
1041 site one core scenario, their performance degradation percentages are equal  on average
1042 to 10\% and are higher than those executed over the one site multi-cores scenario, 
1043 which on average is equal to 7\%. 
1044
1045 \textcolor{blue}{
1046 The performance degradation percentages over one site multi-cores is lower because  the computations to communications ratio is decreased. Therefore, selecting bigger 
1047 frequencies by the scaling algorithm are proportional to this ratio, and thus the execution time do not increase significantly.}
1048
1049
1050 The tradeoff distance percentages of the NAS 
1051 benchmarks over all scenarios are presented in the figure \ref{fig:dist-mc}.
1052 These  tradeoff distance percentages are used to verify which scenario is the best in terms of energy reduction and performance. The figure shows that using muti-cores in both of the one site and two sites scenarios gives bigger  tradeoff distance percentages, on overage equal to 17.6\% and 15.3\% respectively, than using one core per node in both of one site and two sites scenarios,  on average  equal to 14.7\% and 13.3\% respectively. 
1053
1054 \begin{table}[]
1055 \centering
1056 \caption{The multicores scenarios}
1057
1058 \begin{tabular}{|*{4}{c|}}
1059 \hline
1060 Scenario name                          & Cluster name & \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  nodes\\ in each cluster\end{tabular} & 
1061                                        \begin{tabular}[c]{@{}c@{}}No. of  cores\\ for each node\end{tabular}  \\ \hline
1062 \multirow{3}{*}{Two sites/ one core}   & Taurus       & 10              & 1                   \\ \cline{2-4}
1063                                        & Graphene     & 10              & 1                   \\ \cline{2-4}
1064                                        & Griffon      & 12              & 1                   \\ \hline
1065 \multirow{3}{*}{Two sites/ multicores} & Taurus       & 3               & 3 or 4              \\ \cline{2-4}
1066                                        & Graphene     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1067                                        & Griffon      & 3               & 4                   \\ \hline
1068 \multirow{3}{*}{One site/ one core}    & Graphite     & 4               & 1                   \\  \cline{2-4}
1069                                        & Graphene     & 12              & 1                   \\  \cline{2-4}
1070                                        & Griffon      & 12              & 1                   \\ \hline
1071 \multirow{3}{*}{One site/ multicores}  & Graphite     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1072                                        & Graphene     & 3               & 3 or 4              \\  \cline{2-4}
1073                                        & Griffon      & 3               & 4                   \\ \hline
1074 \end{tabular}
1075 \label{table:sen-mc}
1076 \end{table}
1077
1078 \begin{figure}
1079   \centering
1080   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_con.eps}
1081   \caption{Comparing the  energy consumptions of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1082   \label{fig:eng-cons-mc}
1083 \end{figure}
1084
1085
1086   \begin{figure}
1087   \centering
1088   \includegraphics[scale=0.5]{fig/time.eps}
1089   \caption{Comparing the  execution times of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1090   \label{fig:time-mc}
1091 \end{figure}
1092
1093  \begin{figure}
1094   \centering
1095   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_s_mc.eps}
1096   \caption{The energy saving of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1097   \label{fig:eng-s-mc}
1098 \end{figure}
1099
1100 \begin{figure}
1101   \centering
1102   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_d_mc.eps}
1103   \caption{The performance degradation of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1104   \label{fig:per-d-mc}
1105 \end{figure}
1106
1107 \begin{figure}
1108   \centering
1109   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist_mc.eps}
1110   \caption{The tradeoff distance of running NAS benchmarks over one core and multicores scenarios }
1111   \label{fig:dist-mc}
1112 \end{figure}
1113
1114 \subsection{Experiments with different static and dynamic powers consumption scenarios}
1115 \label{sec.pow_sen}
1116
1117 In section \ref{sec.grid5000}, since it was not possible to measure the static power consumed by a CPU,   the static power was assumed to be equal to 20\% of the measured dynamic power. This power is consumed during the whole execution time, during computation and communication times. Therefore, when the DVFS operations are applied by the scaling algorithm and the CPUs' frequencies lowered, the execution time might increase and consequently the consumed static energy will be increased too. 
1118
1119 The aim of  this section is to evaluate the scaling algorithm while assuming different values of static powers. 
1120 In addition to the previously used  percentage of static power, two new static power ratios,  10\% and 30\% of the measured dynamic power of the core, are used in this section.
1121 The experiments have been executed with these two new static power scenarios and over the one site one core per node scenario.
1122 In these experiments, the class D of the NAS parallel benchmarks are executed over Nancy's site. 16 computing nodes from the three sites, Graphite, Graphene and Griffon, where used in this experiment.  
1123
1124  \begin{figure}
1125   \centering
1126   \includegraphics[scale=0.5]{fig/eng_pow.eps}
1127   \caption{The energy saving percentages for NAS benchmarks of the three power scenario}
1128   \label{fig:eng-pow}
1129 \end{figure}
1130
1131 \begin{figure}
1132   \centering
1133   \includegraphics[scale=0.5]{fig/per_pow.eps}
1134   \caption{The performance degradation percentages for NAS benchmarks of the three power scenario}
1135   \label{fig:per-pow}
1136 \end{figure}
1137
1138
1139 \begin{figure}
1140   \centering
1141   \includegraphics[scale=0.5]{fig/dist_pow.eps}
1142   \caption{The tradeoff distance for NAS benchmarks of the three power scenario}
1143   \label{fig:dist-pow}
1144 \end{figure}
1145
1146 \begin{figure}
1147   \centering
1148   \includegraphics[scale=0.47]{fig/three_scenarios.pdf}
1149   \caption{Comparing the selected frequency scaling factors of MG benchmark for three static power scenarios}
1150   \label{fig:fre-pow}
1151 \end{figure}
1152
1153
1154 The energy saving percentages of the NAS benchmarks with the three static power scenarios are presented 
1155 in figure \ref{fig:eng_sen}. This figure shows that the  10\% of static power scenario 
1156 gives the biggest energy saving percentage in comparison to the 20\% and 30\% static power 
1157 scenarios. The small value of static power consumption makes the proposed 
1158 scaling algorithm  select smaller frequencies for the CPUs. 
1159 These smaller frequencies reduce the dynamic energy consumption more than increasing the consumed static energy which gives             less overall energy consumption. 
1160 The energy saving percentages of the 30\% static power scenario is the smallest between the other scenarios, because the scaling algorithm selects bigger frequencies for the CPUs which increases the energy consumption. Figure \ref{fig:fre-pow} demonstrates that the proposed scaling algorithm selects   the best frequency scaling factors   according to the static power consumption ratio being used.
1161
1162 \textcolor{blue}{ 
1163 The performance degradation percentages are presented in the figure \ref{fig:per-pow},
1164 the 30\% of static power scenario had less performance degradation percentage. This  because
1165 bigger frequencies are selected for the CPUs by the scaling algorithm. While, 
1166 the inverse happens in the 20\% and 30\% scenarios, because the scaling algorithm selects  bigger 
1167 frequencies. 
1168 The tradeoff distance percentage for the NAS benchmarks with these three static power scenarios 
1169 are presented in the figure \ref{fig:dist}. It shows that the tradeoff
1170 distance percentage is the best when the  10\% of static power scenario is used, and this percentage 
1171 is decreased for the other two scenarios because of  different frequencies have being selected by the scaling algorithm.
1172 In EP benchmark, the results of energy saving, performance degradation and tradeoff 
1173 distance are showed small differences when the these static power scenarios are used.
1174 In this benchmark there are no communications which leads  the proposed scaling algorithm to select similar frequencies even if the static power values are different. While, the 
1175 inverse has been shown  for the rest of the benchmarks, which have  different communication times.
1176 This makes the scaling algorithm proportionally selects big or small frequencies for each benchmark,
1177 because the communication times  proportionally increase or decrease the static energy consumption. }
1178
1179  
1180 \subsection{The comparison of the proposed frequencies selecting algorithm }
1181 \label{sec.compare_EDP}
1182 \textcolor{blue}{
1183 The tradeoff between the energy consumption and the performance of the parallel 
1184 applications had significant importance in the domain of the research. 
1185 Many researchers, \cite{EDP_for_multi_processors,Energy_aware_application_scheduling,Exploring_Energy_Performance_TradeOffs},
1186 have optimized the tradeoff between the energy and the performance using the well known  energy and delay product, $EDP=energy \times delay$. 
1187 This model is also used by Spiliopoulos et al. algorithm \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS},
1188 the  objective is to select the frequencies that minimized EDP product for the multi-cores 
1189 architecture when DVFS is used. Moreover, their algorithm is applied online, which synchronously optimized the energy consumption 
1190 and the execution time. Both energy consumption and execution time of a processor are predicted by the their algorithm.
1191 In this section the proposed frequencies selection algorithm, called Maxdist is compared with Spiliopoulos et al. algorithm, called EDP.
1192 To make both of the algorithms follow the same direction and  fairly  comparing them, the same energy model,  equation \ref{eq:energy} and
1193 the execution time model, equation \ref{eq:perf}, are used in the prediction process to select the best vector of the frequencies. 
1194 In contrast, the proposed algorithm starts the search space from the lower bound computed as in equation the  \ref{eq:Fint}. Also, the algorithm
1195 stops  the search process when it is reached to the lower bound as mentioned before. In the same way, the EDP algorithm is developed to start from the 
1196 same upper bound used in Maxdist algorithm, and it stops the search process when  a minimum available frequencies is reached. 
1197 Finally, the resulting EDP algorithm is an exhaustive search algorithm that test all possible frequencies, starting from the initial frequencies, 
1198 and selecting those minimized the EDP product.
1199 Both algorithms were applied to NAS benchmarks, class D, over 16 nodes selected from grid'5000 clusters.
1200 The participating computing nodes are distributed between two sites and one site to have two different scenarios that used in the section \ref{sec.res}. 
1201 The experimental results: the energy saving, performance degradation and tradeoff distance percentages are 
1202 presented in the figures \ref{fig:edp-eng}, \ref{fig:edp-perf} and \ref{fig:edp-dist} respectively. 
1203 \begin{figure}
1204   \centering
1205   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_eng}
1206   \caption{Comparing of the energy saving for the proposed method with EDP method}
1207   \label{fig:edp-eng}
1208 \end{figure}
1209 \begin{figure}
1210   \centering
1211   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_per}
1212   \caption{Comparing of the performance degradation for the proposed method with EDP method}
1213   \label{fig:edp-perf}
1214 \end{figure}
1215 \begin{figure}
1216   \centering
1217   \includegraphics[scale=0.5]{fig/edp_dist}
1218   \caption{Comparing of the tradeoff distance for the proposed method with EDP method}
1219   \label{fig:edp-dist}
1220 \end{figure}
1221 As shown form these figures, the proposed frequencies selection algorithm, Maxdist, outperform the EDP algorithm in term of energy and performance for all of the benchmarks executed over the two scenarios. 
1222 Generally, the proposed algorithm gives better results for all benchmarks because it is
1223 optimized the distance between the energy saving and the performance degradation in the same time. 
1224 Moreover, the proposed scaling algorithm gives the same weight for these two metrics.
1225 Whereas, the EDP algorithm gives some times negative tradeoff values for some benchmarks in the two sites scenarios.
1226 These negative tradeoff values mean that the performance degradation percentage is higher than energy saving percentage.
1227 The higher positive value of the tradeoff distance percentage mean that the  energy saving percentage is much higher than the performance degradation percentage. 
1228 The time complexity of both Maxdist and EDP algorithms are $O(N \cdot M \cdot F)$ and 
1229 $O(N \cdot M \cdot F^2)$ respectively. Where $N$ is the number of the clusters, $M$ is the number of nodes and $F$ is the 
1230 maximum number of available frequencies. The proposed algorithm, Maxdist, has selected the best frequencies in a small execution time, 
1231 on average is equal to  0.01 $ms$, when it is executed over 32 nodes distributed between Nancy and Lyon sites.
1232 While the EDP algorithm was slower than Maxdist algorithm by ten times over the same number of nodes and same distribution, its execution time on average 
1233 is equal to 0.1 $ms$. 
1234 }
1235
1236
1237 \section{Conclusion}
1238 \label{sec.concl}
1239 \textcolor{blue}{
1240 This paper has been  presented a new online frequencies selection algorithm.
1241 It works based on objective function that maximized the tradeoff distance 
1242 between the predicted energy consumption and the predicted execution time of the distributed 
1243 iterative applications running over heterogeneous grid. The algorithm selects the best vector of the 
1244 frequencies which maximized the objective function has been used. A new energy model 
1245 used by the proposed algorithm for measuring and predicting the energy consumption 
1246 of the distributed iterative message passing application running over grid architecture.
1247 To evaluate the proposed method on a real heterogeneous grid platform, it was applied on the  
1248 NAS parallel benchmarks  class D instance  and executed over grid'5000 testbed platform. 
1249 The experimental results showed that the algorithm saves the energy consumptions on average 
1250 for all NAS benchmarks up to 30\%  while gives only 3\% percentage on average for the performance 
1251 degradation for the same instance. The algorithm also selecting different frequencies according to the 
1252 computations and communication times ratio, and according to the values of the static and measured dynamic power of the CPUs. The computations to communications ratio was varied between different scenarios have been used, concerning to the distribution of the computing nodes between different clusters' sites and using one core or multi-cores per node.
1253 Finally, the proposed algorithm was compared to other algorithm which it
1254 used the will known energy and delay product as an objective function. The comparison results showed 
1255 that the proposed algorithm outperform the other one in term of energy-time tradeoff.
1256 In the near future, we would like to develop a similar method that is adapted to
1257 asynchronous iterative applications where each task does not
1258 wait for other tasks to finish their works. The development of
1259 such a method might require a new energy model because the
1260 number of iterations is not known in advance and depends on
1261 the global convergence of the iterative system.
1262 }
1263
1264
1265 \section*{Acknowledgment}
1266
1267 This work  has been  partially supported by  the Labex ACTION  project (contract
1268 ``ANR-11-LABX-01-01'').  Computations  have been performed  on the supercomputer
1269 facilities  of the  Mésocentre de  calcul de  Franche-Comté. As  a  PhD student,
1270 Mr. Ahmed  Fanfakh, would  like to  thank the University  of Babylon  (Iraq) for
1271 supporting his work.
1272
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1276 % the document is modified later
1277 %\IEEEtriggeratref{15}
1278
1279 \bibliographystyle{IEEEtran}
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