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Private GIT Repository
section IV corrected
[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
index d7e32df915ad55dbd65c4e01efbd9c17180b302a..8c329a8adc36e134fdd364eee4cdfed79f04fd4d 100644 (file)
@@ -139,14 +139,11 @@ scaling factors, the communication time and the computation time for all the
 tasks must be measured during the first iteration before applying any DVFS
 operation. Then the execution time for one iteration of the application with any
 vector of scaling factors can be predicted using EQ (\ref{eq:perf}).
-  
-  
-\begin{multline}
+\begin{equation}
   \label{eq:perf}
  \textit  T_\textit{new} = 
{} \max_{i=1,2,\dots,N} (TcpOld_{i} \cdot S_{i}) +  TcmOld_{j}
-\end{multline}
+ \max_{i=1,2,\dots,N} (TcpOld_{i} \cdot S_{i}) +  TcmOld_{j}
+\end{equation}
 where $TcpOld_i$ is the computation time  of processor $i$ during the first iteration and $TcmOld_j$ is the communication time of the slowest processor $j$.
   The model computes the maximum computation time 
  with scaling factor from each node  added to the communication time of the slowest node, it means  only the
@@ -196,14 +193,14 @@ system's kernel to lower a core's frequency. we can calculate the new frequency
 $F_{new}$ from EQ(\ref{eq:s}) as follow:
 \begin{equation}
   \label{eq:fnew}
-   F_\textit{new} = S^{-1}  F_\textit{max}
+   F_\textit{new} = S^{-1} \cdot F_\textit{max}
 \end{equation}
 Replacing $F_{new}$ in EQ(\ref{eq:pd}) as in EQ(\ref{eq:fnew}) gives the following equation for dynamic 
 power consumption:
 \begin{multline}
   \label{eq:pdnew}
    {P}_\textit{dNew} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F_{new} = \alpha \cdot C_L \cdot \beta^2 \cdot F_{new}^3 \\
-   = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
+   {} = \alpha \cdot C_L \cdot V^2 \cdot F \cdot S^{-3} = P_{dOld} \cdot S^{-3}
 \end{multline}
 where $ {P}_\textit{dNew}$  and $P_{dOld}$ are the  dynamic power consumed with the new frequency and the maximum frequency respectively.
 
@@ -218,7 +215,6 @@ The static energy is the static power multiplied by the execution time of the pr
 the execution time of the program is the summation of the computation and the communication times. The computation time is linearly related  
 to the frequency scaling factor, while this scaling factor does not affect the communication time. The static energy 
 of a processor after scaling its frequency is computed as follows: 
-
 \begin{equation}
   \label{eq:Estatic}
  E_\textit{s} = P_\textit{s} \cdot (T_{cp} \cdot S  + T_{cm})
@@ -227,9 +223,9 @@ of a processor after scaling its frequency is computed as follows:
 In the considered heterogeneous platform, each processor $i$ might have different dynamic and static powers, noted as $P_{di}$ and $P_{si}$ respectively. Therefore, even if the distributed message passing iterative application is load balanced, the computation time of each CPU $i$ noted $T_{cpi}$ might be different and different frequency  scaling factors might be computed in order to decrease the overall energy consumption of the application and reduce the slack times. The communication time of a processor $i$ is noted as $T_{cmi}$ and could contain slack times if it is communicating with slower nodes, see figure(\ref{fig:heter}). Therefore, all nodes do not have equal communication times. While the dynamic energy is computed according to the  frequency scaling factor and the dynamic power of each node as in EQ(\ref{eq:Edyn}),  the static energy is computed as the sum of the execution time of each processor multiplied by its static power. The overall energy consumption of a message passing  distributed application  executed over a heterogeneous platform is the summation of all dynamic and static energies for each  processor.  It is computed as follows:
 \begin{multline}
   \label{eq:energy}
- E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot P_{di} \cdot  T_{cpi})} +\\ 
- {}\sum_{i=1}^{N} {(P_{si} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (T_{cpi} \cdot S_{i}) +} 
- {}\min_{i=1,2,\dots,N} {T_{cmi}))} 
+ E = \sum_{i=1}^{N} {(S_i^{-2} \cdot P_{di} \cdot  T_{cpi})} + {} \\
+ \sum_{i=1}^{N} (P_{si} \cdot (\max_{i=1,2,\dots,N} (T_{cpi} \cdot S_{i}) +
+ \min_{i=1,2,\dots,N} {T_{cmi}))}
  \end{multline}
  
 Reducing the the frequencies of the processors according to the vector of
@@ -240,60 +236,56 @@ increased~\cite{36}.
 \section{Optimization of both energy consumption and performance}
 \label{sec.compet}
 
-Applying DVFS to lower level not surly reducing the energy consumption to
-minimum level. Also, a big scaling for the frequency produces high performance
-degradation percent. Moreover, by considering the drastically increase in
-execution time of parallel program, the static energy is related to this time
-and it also increased by the same ratio. Thus, the opportunity for gaining more
-energy reduction is restricted. For that choosing frequency scaling factors is
-very important process to taking into account both energy and performance. In
-our previous work~\cite{45}, we are proposed a method that selects the optimal
-frequency scaling factor for an homogeneous cluster, depending on the trade-off
-relation between the energy and performance. In this work we have an
-heterogeneous cluster, at each node there is different scaling factors, so our
-goal is to selects the optimal set of frequency scaling factors,
-$Sopt_1,Sopt_2,\dots,Sopt_N$, that gives the best trade-off between energy
-consumption and performance. The relation between the energy and the execution
-time is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the performance
+Using the lowest frequency for each processor does not necessarily gives the most energy efficient execution of an application. Indeed, even though the dynamic power is reduced while scaling down the frequency of a processor, its computation power is proportionally decreased and thus the execution time might be drastically increased during which dynamic and static powers are being consumed. Therefore,  it might cancel any gains achieved by scaling down the frequency of all nodes to the minimum  and the overall energy consumption of the application might not be the optimal one. It is not trivial to select the appropriate frequency scaling factor for each processor while considering the characteristics of each processor (computation power, range of frequencies, dynamic and static powers) and the task executed (computation/communication ratio) in order to reduce the overall energy consumption and not significantly increase the execution time. In
+our previous work~\cite{45}, we  proposed a method that selects the optimal
+frequency scaling factor for a homogeneous cluster executing a message passing iterative synchronous application while giving the best trade-off
+ between the energy consumption and the performance for such applications. In this work we are interested in 
+heterogeneous clusters as described above. Due to the heterogeneity of the processors, not one but a  set of scaling factors should be selected and it must  give the best trade-off between energy
+consumption and performance. 
+
+The relation between the energy consumption and the execution
+time for an application is complex and nonlinear, Thus, unlike the relation between the performance
 and the scaling factor, the relation of the energy with the frequency scaling
 factors is nonlinear, for more details refer to~\cite{17}.  Moreover, they are
 not measured using the same metric.  To solve this problem, we normalize the
-execution time by calculating the ratio between the new execution time (the
-scaled execution time) and the old one as follow:
+execution time by computing the ratio between the new execution time (after scaling down the frequencies of some processors) and the initial one (with maximum frequency for all nodes,) as follows:
 \begin{multline}
   \label{eq:pnorm}
   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{New}}{T_\textit{Old}}\\
-          = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +\min_{i=1,2,\dots,N} {Tcm_{i}}} 
+       {} = \frac{ \max_{i=1,2,\dots,N} (Tcp_{i} \cdot S_{i}) +\min_{i=1,2,\dots,N} {Tcm_{i}}}
            {\max_{i=1,2,\dots,N}{(Tcp_i+Tcm_i)}}
 \end{multline}
 
 
-By the same way, we are normalize the energy by calculating the ratio between the consumed energy with scaled frequency and the consumed energy without scaled frequency:
+In the same way, we normalize the energy by computing the ratio between the consumed energy while scaling down the frequency and the consumed energy with maximum frequency for all nodes:
 \begin{multline}
   \label{eq:enorm}
   E_\textit{Norm} = \frac{E_\textit{Reduced}}{E_\textit{Original}} \\
-   = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
+  {} = \frac{ \sum_{i=1}^{N}{(S_i^{-2} \cdot Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{New})}}{\sum_{i=1}^{N}{( Pd_i \cdot  Tcp_i)} +
  \sum_{i=1}^{N} {(Ps_i \cdot T_{Old})}}
 \end{multline} 
-Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ is computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}). The second
-problem is that the optimization operation for both energy and performance is
-not in the same direction.  In other words, the normalized energy and the
-normalized execution time curves are not at the same direction.  While the main
-goal is to optimize the energy and execution time in the same time.  According
+Where $T_{New}$ and $T_{Old}$ are computed as in EQ(\ref{eq:pnorm}).
+
+ While the main
+goal is to optimize the energy and execution time at the same time, the normalized energy and execution time curves are not in the same direction.     According
 to the equations~(\ref{eq:enorm}) and~(\ref{eq:pnorm}), the set of frequency
 scaling factors $S_1,S_2,\dots,S_N$ reduce both the energy and the execution
 time simultaneously.  But the main objective is to produce maximum energy
-reduction with minimum execution time reduction.  Many researchers used
+reduction with minimum execution time reduction.  
+
+Many researchers used
 different strategies to solve this nonlinear problem for example
-see~\cite{19,42}, their methods add big overheads to the algorithm to select the
-suitable frequency.  In this paper we are present a method to find the optimal
-set of frequency scaling factors to optimize both energy and execution time
-simultaneously without adding a big overhead.  Our solution for this problem is
+in~\cite{19,42}, their methods add big overheads to the algorithm to select the
+suitable frequency.  In this paper we  present a method to find the optimal
+set of frequency scaling factors to simultaneously optimize both energy and execution time
+ without adding a big overhead. \textbf{put the last two phrases in the related work section}
+  
+    Our solution for this problem is
 to make the optimization process for energy and execution time follow the same
-direction.  Therefore, we inverse the equation of the normalized execution time,
-the normalized performance, as follows:
-
+direction.  Therefore, we inverse the equation of the normalized execution time which gives 
+the normalized performance equation, as follows:
 \begin{multline}
   \label{eq:pnorm_inv}
   P_\textit{Norm} = \frac{T_\textit{Old}}{T_\textit{New}}\\
@@ -319,18 +311,17 @@ curve EQ~(\ref{eq:pnorm_inv}) over all available sets of scaling factors.  This
 represents the minimum energy consumption with minimum execution time (better
 performance) at the same time, see figure~(\ref{fig:r1}) or figure~(\ref{fig:r2}) .  Then our objective
 function has the following form:
-\begin{multline}
+\begin{equation}
   \label{eq:max}
   Max Dist = 
   \max_{i=1,\dots F, j=1,\dots,N}
       (\overbrace{P_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Maximize}} -
        \overbrace{E_\textit{Norm}(S_{ij})}^{\text{Minimize}} )
-\end{multline}
+\end{equation}
 where $N$ is the number of nodes and $F$ is the  number of available frequencies for each nodes. 
 Then we can select the optimal set of scaling factors that satisfies EQ~(\ref{eq:max}).  Our objective function can
-work with any energy model or energy values stored in a data file.
-Moreover, this function works in optimal way when the energy curve has a convex
-form over the available frequency scaling factors as shown in~\cite{15,3,19}.
+work with any energy model or any power values for each node (static and dynamic powers).
+However, the most energy reduction gain can be achieved the energy curve has a convex form as shown in~\cite{15,3,19}.
 
 \section{The heterogeneous scaling algorithm }
 \label{sec.optim}
@@ -684,10 +675,10 @@ The results of applying the proposed scaling algorithm to NAS benchmarks is demo
 
 \begin{figure}
   \centering
-  \subfloat[Balanced nodes type scenario]{%
+  \subfloat[CG, MG, LU and FT Benchmarks]{%
     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_eq}\label{fig:avg_eq}}%
   \quad%
-  \subfloat[Imbalanced nodes type scenario]{%
+  \subfloat[BT and SP benchmarks]{%
     \includegraphics[width=.23185\textwidth]{fig/avg_neq}\label{fig:avg_neq}}
   \label{fig:avg}
   \caption{The average of energy and performance for all NAS benchmarks running with difference number of nodes}