Energy consumption optimization of parallel applications with Iterations using CPU frequency scaling

par Ahmed Badri Muslim Fanfakh

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Raphaël Couturier et de Jean-Claude Charr.

Soutenue le 17-10-2016

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) et de Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST (laboratoire) .

Le président du jury était Nabil Abdennadher.

Le jury était composé de Raphaël Couturier, Jean-Claude Charr, Nabil Abdennadher, Fabienne Jézéquel, Jean-Marc Pierson.

Les rapporteurs étaient Fabienne Jézéquel, Jean-Marc Pierson.

  • Titre traduit

    Optimisation de la consommation énergétique des applications parallèles avec des itérations en utilisant réduisant la fréquence des processeurs


  • Résumé

    Au cours des dernières années, l'informatique “green” est devenue un sujet important dans le calcul intensif. Cependant, les plates-formes informatiques continuent de consommer de plus en plus d'énergie en raison de l'augmentation du nombre de noeuds qui les composent. Afin de minimiser les coûts d'exploitation de ces plates-formes de nombreuses techniques ont été étudiées, parmi celles-ci, il y a le changement de la fréquence dynamique des processeurs (DVFS en anglais). Il permet de réduire la consommation d'énergie d'un CPU, en abaissant sa fréquence. Cependant, cela augmente le temps d'exécution de l'application. Par conséquent, il faut trouver un seuil qui donne le meilleur compromis entre la consommation d'énergie et la performance d'une application. Cette thèse présente des algorithmes développés pour optimiser la consommation d'énergie et les performances des applications parallèles avec des itérations synchrones et asynchrones sur des clusters ou des grilles. Les modèles de consommation d'énergie et de performance proposés pour chaque type d'application parallèle permettent de prédire le temps d'exécution et la consommation d'énergie d'une application pour toutes les fréquences disponibles.La contribution de cette thèse peut être divisé en trois parties. Tout d'abord, il s'agit d'optimiser le compromis entre la consommation d'énergie et les performances des applications parallèles avec des itérations synchrones sur des clusters homogènes. Deuxièmement, nous avons adapté les modèles de performance énergétique aux plates-formes hétérogènes dans lesquelles chaque noeud peut avoir des spécifications différentes telles que la puissance de calcul, la consommation d'énergie, différentes fréquences de fonctionnement ou encore des latences et des bandes passantes réseaux différentes. L'algorithme d'optimisation de la fréquence CPU a également été modifié en fonction de l'hétérogénéité de la plate-forme. Troisièmement, les modèles et l'algorithme d'optimisation de la fréquence CPU ont été complètement repensés pour prendre en considération les spécificités des algorithmes itératifs asynchrones.Tous ces modèles et algorithmes ont été appliqués sur des applications parallèles utilisant la bibliothèque MPI et ont été exécutés avec le simulateur Simgrid ou sur la plate-forme Grid'5000. Les expériences ont montré que les algorithmes proposés sont plus efficaces que les méthodes existantes. Ils n’introduisent qu’un faible surcoût et ne nécessitent pas de profilage au préalable car ils sont exécutés au cours du déroulement de l’application.


  • Résumé

    In recent years, green computing has become an important topic in the supercomputing research domain. However, the computing platforms are still consuming more and more energy due to the increase in 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 can be used to reduce the power consumption of the CPU while computing, by lowering its frequency. However, lowering the frequency of a CPU may increase the execution time of the application running on that processor. Therefore, the frequency that gives the best trade-off between the energy consumption and the performance of an application must be selected.This thesis, presents the algorithms developed to optimize the energy consumption and theperformance of synchronous and asynchronous message passing applications with iterations runningover clusters or grids. The energy consumption and performance models for each type of parallelapplication predicts its execution time and energy consumption for any selected frequency accordingto the characteristics of both the application and the architecture executing this application.The contribution of this thesis can be divided into three parts: Firstly, optimizing the trade-offbetween the energy consumption and the performance of the message passing applications withsynchronous iterations running over homogeneous clusters. Secondly, adapting the energy andperformance models to heterogeneous platforms where each node can have different specificationssuch as computing power, energy consumption, available frequency gears or network’s latency andbandwidth. The frequency scaling algorithm was also modified to suit the heterogeneity of theplatform. Thirdly, the models and the frequency scaling algorithm were completely rethought to takeinto considerations the asynchronism in the communication and computation. All these models andalgorithms were applied to message passing applications with iterations and evaluated over eitherSimGrid simulator or Grid’5000 platform. The experiments showed that the proposed algorithms areefficient and outperform existing methods such as the energy and delay product. They also introducea small runtime overhead and work online without any training or profiling.


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  • Sous le titre : Energy consumption optimization of parallel applications with Iterations using CPU frequency scaling
  • Détails : 1 vol. (149 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.143-149
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