]> AND Private Git Repository - mpi-energy2.git/blobdiff - Heter_paper.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
corrected the related work and added some remarks in bold
[mpi-energy2.git] / Heter_paper.tex
index a6d44b15e409c0d23745a320d0d950e0663d5eef..e411a70b4b967c03e205f72db9b846a078965e4a 100644 (file)
 \maketitle
 
 \begin{abstract}
-Green computing emphasizes the importance of energy conservation, minimizing the negative impact 
-on the environment while achieving high performance and minimizing operating costs. So, energy reduction 
-process in a high performance clusters it can be archived using dynamic voltage and frequency 
-scaling (DVFS) technique, through reducing the frequency of a CPU. Using DVFS to lower levels 
-result in a high increase in performance degradation ratio. Therefore selecting the best frequencies 
-must give the best possible tradeoff between the energy and the performance of parallel program.
-
-In this paper we present a new online heterogeneous scaling algorithm that selects the best vector 
-of frequency scaling factors. These factors give the best tradeoff between the energy saving and the
-performance degradation. The algorithm has small overhead and works without training and profiling.
-We developed a new energy model for distributed iterative application running on heterogeneous cluster. 
-The proposed algorithm experimented  on Simgrid simulator that applying the NAS parallel benchmarks.
-It reduces the energy consumption up to 35\% while limits the performance degradation as much as possible.
+Computing platforms are consuming more and more energy due to the increase of the number of nodes composing them. To minimize the operating costs of these platforms many techniques have been used. Dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) is one of them, it reduces the frequency of a CPU to lower its energy consumption. However, lowering the frequency of a CPU might increase the execution time of an application running on that processor. Therefore, the frequency that gives the best  tradeoff between the energy consumption and the performance of an application must be selected. 
+
+In this paper, a new online frequencies selecting algorithm for heterogeneous platforms is presented. It selects the frequency that gives  the best tradeoff between energy saving and
+performance degradation, for each node computing the message passing iterative application. The algorithm has a small overhead and works without training or profiling.
+It uses a new energy model for message passing iterative applications running on a heterogeneous platform. 
+The proposed algorithm was evaluated  on the Simgrid simulator while running the NAS parallel benchmarks.
+The experiments demonstrated that it reduces the energy consumption up to 35\% while limiting the performance degradation as much as possible.
 \end{abstract}
 
 \section{Introduction}
 \label{sec.intro}
-Modern processors continue increasing in performance, 
-the CPUs constructors are competing to achieve maximum number 
-of floating point operations per second (FLOPS). 
-Thus, the energy consumption and the heat dissipation are increased 
-drastically according to this increase. Because the number of FLOPS 
-is more related to the power consumption of a CPU
-~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}.  
-As an example of the most power hungry cluster, Tianhe-2 became in 
-the top of the Top500 list in June 2014 \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}. 
-It has more than 3 millions of cores and consumed more than 17.8 megawatts. 
+The need for more computing power is continually increasing. To partially satisfy this need, most supercomputers constructors just put more computing nodes in their platform. The resulting platform might achieve higher floating point operations per second (FLOPS), but the energy consumption and the heat dissipation are also increased. As an example, the chinese supercomputer Tianhe-2 had the highest FLOPS in November 2014 according to the Top500 list \cite{TOP500_Supercomputers_Sites}.  However, it was also the  most power hungry platform with its over 3 millions cores consuming around 17.8 megawatts.
 Moreover, according to the U.S. annual energy outlook 2014 
 \cite{U.S_Annual.Energy.Outlook.2014}, the price of energy for 1 megawatt-hour 
 was approximately equal to \$70. 
-Therefore, we can consider the price of the energy consumption for the 
-Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions  for 
-one year. For this reason, the heterogeneous clusters must be offer more 
-energy efficiency due to the increase in the energy cost and the environment 
-influences. Therefore, a green computing clusters with maximum number of 
-FLOPS per watt are required nowadays. For example, the GSIC center of Tokyo, 
+Therefore, the price of the energy consumed by the 
+Tianhe-2 platform is approximately more than \$10 millions each year. 
+The computing platforms must be more energy efficient and offer the highest number of FLOPS per watt possible, such as the TSUBAME-KFC at the GSIC center of Tokyo which  
 became the top of the Green500 list in June 2014 \cite{Green500_List}. 
-This heterogeneous platform has more than four thousand of  MFLOPS per watt. Dynamic 
-voltage and frequency scaling (DVFS) is a process used widely to reduce the energy 
-consumption of the processor. In heterogeneous clusters enabled DVFS, many researchers 
-used DVFS  in a different ways. DVFS can be minimized the energy consumption 
-but it leads to a disadvantage due to the increase in performance degradation. 
-Therefore,  researchers used different optimization strategies to overcame 
-this problem. The best tradeoff relation between the energy reduction and 
-performance degradation ratio is became a key challenges in a heterogeneous 
-platforms. In this paper we are propose a heterogeneous scaling algorithm  
-that selects the optimal vector of the frequency scaling factors for distributed 
-iterative application, producing maximum energy reduction against minimum 
-performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has very small 
-overhead, works online and not needs for any training or profiling.  
+This heterogeneous platform executes more than four  GFLOPS per watt.
+
+ Besides hardware improvements, there are many software techniques to lower the energy consumption of these platforms, such as scheduling, DVFS, ... DVFS is a widely  used process to reduce the energy 
+consumption of a processor by lowering its frequency. \textbf{put a reference to DVFS} However, it also the reduces the number of FLOPS executed by the processor which might increase the execution time of the application running over that processor.
+Therefore,  researchers used different optimization strategies to select the frequency that gives the best tradeoff   between the energy reduction and 
+performance degradation ratio.
+\textbf{you should talk about the first paper here and say that the algorithm was applied to a homogeneous platform then define what is a heterogeneous platform, you can take it from the firdt paragraph in section 3 }
+
+In this paper, a frequency selecting algorithm is proposed. It  selects the vector of frequencies for a heterogeneous platform that runs a message passing iterative application,  that gives the maximum energy reduction and minimum 
+performance degradation ratio simultaneously. The algorithm has a very small 
+overhead, works online and does not need any training or profiling.  
 
 This paper is organized as follows: Section~\ref{sec.relwork} presents some
 related works from other authors.  Section~\ref{sec.exe} describes how the
-execution time of MPI programs can be predicted.  It also presents an energy
-model for heterogeneous platforms. Section~\ref{sec.compet} presents
+execution time of message passing programs can be predicted.  It also presents an energy
+model that predicts the energy consumption of an application running over a heterogeneous platform. Section~\ref{sec.compet} presents
 the energy-performance objective function that maximizes the reduction of energy
 consumption while minimizing the degradation of the program's performance.
-Section~\ref{sec.optim} details the proposed heterogeneous scaling algorithm.
-Section~\ref{sec.expe} presents the results of running  the NAS benchmarks on 
-the proposed heterogeneous platform. It also shows the comparison of three 
-different power scenarios and it verifies the precision of the proposed algorithm.  
+Section~\ref{sec.optim} details the proposed frequency selecting algorithm then the precision of the proposed algorithm is verified.\textbf{the verification should be put here}  
+Section~\ref{sec.expe} presents the results of applying the algorithm on  the NAS parallel benchmarks and executing them 
+on a heterogeneous platform. It also shows the results of running three 
+different power scenarios and comparing them. 
 Finally, we conclude in Section~\ref{sec.concl} with a summary and some future works.
 
+\textbf{never use we in an article and the algorithm is not heterogeneous! you cannot use scaling factors before defining what they are.}
 \section{Related works}
 \label{sec.relwork}
-Energy reduction process for high performance clusters recently performed using 
-dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) technique. DVFS is a technique enabled 
-in modern processors to scaled down both of the voltage and the frequency of 
-the CPU while it is in the computing mode to reduce the energy consumption. DVFS is 
-also  allowed in the graphical processors GPUs, to achieved the same goal. Applying 
-DVFS has a dramatical side effect if it is applied to minimum levels to gain more 
-energy reduction, producing  a high percentage of performance degradations for the 
-parallel applications.  Many researchers used different strategies to solve this 
-nonlinear problem for example in
-~\cite{Hao_Learning.based.DVFS,Dhiman_Online.Learning.Power.Management}, 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 for heterogeneous cluster to 
-simultaneously optimize both the energy and the execution time  without adding big 
-overhead. This work is developed from our previous work of homogeneous cluster~\cite{Our_first_paper}. 
-Therefore we are interested to present some works that concerned the heterogeneous clusters 
-enabled DVFS. In general, the heterogeneous cluster works fall into two categorizes: 
-GPUs-CPUs heterogeneous clusters and CPUs-CPUs heterogeneous clusters. In GPUs-CPUs 
-heterogeneous clusters some parallel tasks executed on  GPUs and the others executed 
-on  CPUs. As an example of this works, Luley et al.
+DVFS is a technique enabled 
+in modern processors to scale down both the voltage and the frequency of 
+the CPU while computing, in order to reduce the energy consumption of the processor. DVFS is 
+also  allowed in the GPUs to achieve the same goal. Reducing the frequency of a processor lowers its number of FLOPS and might degrade the performance of the application running on that processor, especially if it is compute bound. Therefore selecting the appropriate frequency for a processor to satisfy some objectives and while taking into account all the constraints, is not a trivial operation.  Many researchers used different strategies to tackle this problem. Some of them used online methods that compute the new frequency while executing the application \textbf{add a reference for an online method here}. Others used offline methods that might need to run the application and profile it before selecting the new frequency \textbf{add a reference for an offline method}. The methods could be heuristics, exact  or brute force methods that satisfy varied objectives such as energy reduction or performance. They also could be adapted to the execution's environment and the type of the application such as sequential, parallel or distributed architecture, homogeneous or heterogeneous platform,  synchronous or asynchronous application, ... 
+
+In this paper, we are interested in reducing energy for message passing iterative synchronous applications running over heterogeneous platforms.
+Some works have already been done for such platforms and it can be classified into two types of heterogeneous platforms: 
+\begin{itemize}
+
+\item the platform is composed of homogeneous GPUs and homogeneous CPUs.
+\item the platform is only composed of heterogeneous CPUs.
+
+\end{itemize}
+
+For the first type of platform, the compute intensive parallel tasks are executed on the  GPUs and the rest are executed 
+on the CPUs.  Luley et al.
 ~\cite{Luley_Energy.efficiency.evaluation.and.benchmarking}, proposed  a heterogeneous 
-cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal is to determined the 
-energy efficiency as a function of performance per watt, the best tradeoff is done when the 
-performance per watt function is maximized. In the work of Kia Ma et al.
-~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, they developed a scheduling 
-algorithm to distributed different workloads proportional to the computing power of the node 
-to be executed on CPU or GPU, emphasize all tasks must be finished in the same time. 
-Recently, Rong et al.~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Their study explain that 
-a heterogeneous clusters enabled DVFS using GPUs and CPUs gave better energy and performance 
-efficiency than other clusters composed of only CPUs. 
-The CPUs-CPUs heterogeneous clusters consist of number of computing nodes  all of the type CPU. 
-Our work in this paper can be classified to this type of the clusters. 
-As an example of these works see  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling} work, 
-They developed a policy to dynamically assigned the frequency to a heterogeneous cluster. 
-The goal is to minimizing a fixed metric of $energy*delay^2$. Where our proposed method is automatically 
-optimized  the relation between the energy and the delay of the iterative applications. 
-Other works such as Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling}, 
-their algorithm divided the executed tasks into two types: the critical and 
-non critical tasks. The algorithm scaled down the frequency of the non critical tasks 
-as function to the  amount of the slack and communication times that 
-have with maximum of performance degradation percentage less than 10\%. In our method there is no 
-fixed bounds for performance degradation percentage and the bound is dynamically computed 
-according to the energy and the performance tradeoff relation of the executed application. 
-There are some approaches used a heterogeneous cluster composed from two different types 
-of Intel and AMD processors such as~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS} 
-and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS}, they predicated  both the energy 
-and the performance for each frequency gear, then the algorithm selected the best gear that gave 
-the best tradeoff. In contrast our algorithm works over a heterogeneous  platform composed of 
-four different types of processors. Others approaches such as 
-\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
-they are selected the best frequencies for a specified heterogeneous clusters offline using some 
-heuristic methods. While our proposed algorithm works online during the execution time of 
-iterative application. Greedy dynamic approach used by Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements},  
-minimized the power consumption of a heterogeneous severs  with time/space complexity, this approach 
-had considerable overhead. In our proposed scaling algorithm has very small overhead and 
-it is works without any previous analysis for the application time complexity. The primary 
-contributions of our paper are :
+cluster composed of Intel Xeon CPUs and NVIDIA GPUs. Their main goal was to maximize the 
+energy efficiency of the platform during computation by maximizing the number of FLOPS per watt generated. 
+In~\cite{KaiMa_Holistic.Approach.to.Energy.Efficiency.in.GPU-CPU}, Kai Ma et al. developed a scheduling 
+algorithm that distributes  workloads proportional to the computing power of the nodes which could be a GPU or a CPU. All the tasks must be completed at the same time.
+In~\cite{Rong_Effects.of.DVFS.on.K20.GPU}, Rong et al. showed that 
+a heterogeneous (GPUs and CPUs) cluster that enables DVFS gave better energy and performance 
+efficiency than other clusters only composed of  CPUs.
+The work presented in this paper concerns the second type of platform,, with heterogeneous CPUs.
+Many methods were conceived to reduce the energy consumption of this type of platform.  Naveen et al.~\cite{Naveen_Power.Efficient.Resource.Scaling}  
+developed a method that minimize the value of $energy*delay^2$ by dynamically assigning new frequencies to the CPUs of the heterogeneous cluster. \textbf{should define the delay} Lizhe et al.~\cite{Lizhe_Energy.aware.parallel.task.scheduling} propose
+an algorithm that divides the executed tasks into two types: the critical and 
+non critical tasks. The algorithm scales down the frequency of  non critical tasks proportionally to their  slack and communication times while limiting  the performance degradation percentage to less than 10\%. In~\cite{Joshi_Blackbox.prediction.of.impact.of.DVFS} 
+and \cite{Spiliopoulos_Green.governors.Adaptive.DVFS},  a heterogeneous cluster composed of two  types 
+of Intel and AMD processors. The consumed energy 
+and the performance for each frequency gear were predicted, then the algorithm selected the best gear that gave 
+the best tradeoff. \textbf{what energy model they used? what method they used? }
+In~\cite{Shelepov_Scheduling.on.Heterogeneous.Multicore} and \cite{Li_Minimizing.Energy.Consumption.for.Frame.Based.Tasks}, 
+ the best frequencies for a specified heterogeneous cluster are selected offline using some 
+heuristic. Chen et al.~\cite{Chen_DVFS.under.quality.of.service.requirements} used a greedy dynamic approach to  
+minimize the power consumption of heterogeneous severs  with time/space complexity \textbf{what does it mean}. This approach 
+had considerable overhead.
+In contrast to the above described papers, this paper presents the following contributions :
 \begin{enumerate}
-\item It is presents  a new online heterogeneous scaling algorithm which has very small 
-      overhead and not need for any training and profiling.
-\item It is develops a new energy model for iterative distributed applications running over 
-       a heterogeneous clusters, taking into account the communication and slack times.
-\item The proposed scaling algorithm predicts both the energy and the execution time 
-      of the iterative application.
-\item It demonstrates a new optimization function which maximize the performance and 
-      minimize the energy consumption simultaneously.
+\item  two new energy and performance models for message passing iterative synchronous applications running over 
+       a heterogeneous platform. Both models takes into account the communication and slack times. The models can predict the required energy and the execution time of the application.
+       
+\item a new online frequency selecting algorithm for heterogeneous platforms. The algorithm has a very small 
+      overhead and does not need for any training or profiling. It uses a new optimization function which simultaneously maximizes the performance and minimizes the energy consumption of a message passing iterative synchronous application .
       
 \end{enumerate}