Document NVIDIA OpenCL broken on Volta and Turing
[alexxy/gromacs.git] / docs / user-guide / mdrun-performance.rst
1 .. _gmx-performance:
2
3 Getting good performance from :ref:`mdrun <gmx mdrun>`
4 ======================================================
5
6 Here we give an overview on the parallelization and acceleration schemes employed by |Gromacs|.
7 The aim is to provide an understanding of the underlying mechanisms that make |Gromacs| one of the
8 fastest molecular dynamics packages. The information presented
9 should help choosing appropriate parallelization options, run configuration,
10 as well as acceleration options to achieve optimal simulation performance.
11
12
13 The |Gromacs| build system and the :ref:`gmx mdrun` tool have a lot of built-in
14 and configurable intelligence to detect your hardware and make pretty
15 effective use of it. For a lot of casual and serious use of
16 :ref:`gmx mdrun`, the automatic machinery works well enough. But to get the
17 most from your hardware to maximize your scientific quality, read on!
18
19 Hardware background information
20 -------------------------------
21 Modern computer hardware is complex and heterogeneous, so we need to
22 discuss a little bit of background information and set up some
23 definitions. Experienced HPC users can skip this section.
24
25 .. glossary::
26
27     core
28         A hardware compute unit that actually executes
29         instructions. There is normally more than one core in a
30         processor, often many more.
31
32     cache
33         A special kind of memory local to core(s) that is much faster
34         to access than main memory, kind of like the top of a human's
35         desk, compared to their filing cabinet. There are often
36         several layers of caches associated with a core.
37
38     socket
39         A group of cores that share some kind of locality, such as a
40         shared cache. This makes it more efficient to spread
41         computational work over cores within a socket than over cores
42         in different sockets. Modern processors often have more than
43         one socket.
44
45     node
46         A group of sockets that share coarser-level locality, such as
47         shared access to the same memory without requiring any network
48         hardware. A normal laptop or desktop computer is a node. A
49         node is often the smallest amount of a large compute cluster
50         that a user can request to use.
51
52     thread
53         A stream of instructions for a core to execute. There are many
54         different programming abstractions that create and manage
55         spreading computation over multiple threads, such as OpenMP,
56         pthreads, winthreads, CUDA, OpenCL, and OpenACC. Some kinds of
57         hardware can map more than one software thread to a core; on
58         Intel x86 processors this is called "hyper-threading", while
59         the more general concept is often called SMT for
60         "simultaneous multi-threading". IBM Power8 can for instance use
61         up to 8 hardware threads per core.
62         This feature can usually be enabled or disabled either in
63         the hardware bios or through a setting in the Linux operating
64         system. |Gromacs| can typically make use of this, for a moderate
65         free performance boost. In most cases it will be
66         enabled by default e.g. on new x86 processors, but in some cases
67         the system administrators might have disabled it. If that is the
68         case, ask if they can re-enable it for you. If you are not sure
69         if it is enabled, check the output of the CPU information in
70         the log file and compare with CPU specifications you find online.
71
72     thread affinity (pinning)
73         By default, most operating systems allow software threads to migrate
74         between cores (or hardware threads) to help automatically balance
75         workload. However, the performance of :ref:`gmx mdrun` can deteriorate
76         if this is permitted and will degrade dramatically especially when
77         relying on multi-threading within a rank. To avoid this,
78         :ref:`gmx mdrun` will by default
79         set the affinity of its threads to individual cores/hardware threads,
80         unless the user or software environment has already done so
81         (or not the entire node is used for the run, i.e. there is potential
82         for node sharing).
83         Setting thread affinity is sometimes called thread "pinning".
84
85     MPI
86         The dominant multi-node parallelization-scheme, which provides
87         a standardized language in which programs can be written that
88         work across more than one node.
89
90     rank
91         In MPI, a rank is the smallest grouping of hardware used in
92         the multi-node parallelization scheme. That grouping can be
93         controlled by the user, and might correspond to a core, a
94         socket, a node, or a group of nodes. The best choice varies
95         with the hardware, software and compute task. Sometimes an MPI
96         rank is called an MPI process.
97
98     GPU
99         A graphics processing unit, which is often faster and more
100         efficient than conventional processors for particular kinds of
101         compute workloads. A GPU is always associated with a
102         particular node, and often a particular socket within that
103         node.
104
105     OpenMP
106         A standardized technique supported by many compilers to share
107         a compute workload over multiple cores. Often combined with
108         MPI to achieve hybrid MPI/OpenMP parallelism.
109
110     CUDA
111         A proprietary parallel computing framework and API developed by NVIDIA
112         that allows targeting their accelerator hardware.
113         |Gromacs| uses CUDA for GPU acceleration support with NVIDIA hardware.
114
115     OpenCL
116         An open standard-based parallel computing framework that consists
117         of a C99-based compiler and a programming API for targeting heterogeneous
118         and accelerator hardware. |Gromacs| uses OpenCL for GPU acceleration
119         on AMD devices (both GPUs and APUs) and Intel integrated GPUs; NVIDIA
120         hardware is also supported.
121
122     SIMD
123         A type of CPU instruction by which modern CPU cores can execute multiple
124         floating-point instructions in a single cycle.
125
126
127 Work distribution by parallelization in |Gromacs|
128 -------------------------------------------------
129
130 The algorithms in :ref:`gmx mdrun` and their implementations are most relevant
131 when choosing how to make good use of the hardware. For details,
132 see the :ref:`Reference Manual <gmx-reference-manual-rst>`. The most important of these are
133
134 .. _gmx-domain-decomp:
135
136 .. glossary::
137
138     Domain Decomposition
139         The domain decomposition (DD) algorithm decomposes the
140         (short-ranged) component of the non-bonded interactions into
141         domains that share spatial locality, which permits the use of
142         efficient algorithms. Each domain handles all of the
143         particle-particle (PP) interactions for its members, and is
144         mapped to a single MPI rank. Within a PP rank, OpenMP threads
145         can share the workload, and some work can be offloaded to a
146         GPU. The PP rank also handles any bonded interactions for the
147         members of its domain. A GPU may perform work for more than
148         one PP rank, but it is normally most efficient to use a single
149         PP rank per GPU and for that rank to have thousands of
150         particles. When the work of a PP rank is done on the CPU,
151         :ref:`mdrun <gmx mdrun>` will make extensive use of the SIMD
152         capabilities of the core. There are various
153         :ref:`command-line options <controlling-the-domain-decomposition-algorithm>`
154         to control the behaviour of the DD algorithm.
155
156     Particle-mesh Ewald
157         The particle-mesh Ewald (PME) algorithm treats the long-ranged
158         component of the non-bonded interactions (Coulomb and possibly also
159         Lennard-Jones).  Either all, or just a subset of ranks may
160         participate in the work for computing the long-ranged component
161         (often inaccurately called simply the "PME"
162         component). Because the algorithm uses a 3D FFT that requires
163         global communication, its parallel efficiency gets worse as more ranks
164         participate, which can mean it is fastest to use just a subset
165         of ranks (e.g.  one-quarter to one-half of the ranks). If
166         there are separate PME ranks, then the remaining ranks handle
167         the PP work. Otherwise, all ranks do both PP and PME work.
168
169 Parallelization schemes
170 -----------------------
171
172 |Gromacs|, being performance-oriented, has a strong focus on efficient parallelization.
173 There are multiple parallelization schemes available, therefore a simulation can be run on a
174 given hardware with different choices of run configuration.
175
176 .. _intra-core-parallelization:
177
178 Intra-core parallelization via SIMD: SSE, AVX, etc.
179 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
180
181 One level of performance improvement available in |Gromacs| is through the use of
182 ``Single Instruction Multiple Data (SIMD)`` instructions. In detail information
183 for those can be found under :ref:`SIMD support <gmx-simd-support>` in the installation
184 guide.
185
186 In |Gromacs|, SIMD instructions are used to parallelize the parts of the code with
187 the highest impact on performance (nonbonded and bonded force calculation,
188 PME and neighbour searching), through the use of hardware specific SIMD kernels.
189 Those form one of the three levels of non-bonded kernels that are available: reference or generic
190 kernels (slow but useful for producing reference values for testing),
191 optimized plain-C kernels (can be used cross-platform but still slow)
192 and SIMD intrinsics accelerated kernels.
193
194 The SIMD intrinsic code is compiled by the compiler.
195 Technically, it is possible to compile different levels of acceleration into one binary,
196 but this is difficult to manage with acceleration in many parts of the code.
197 Thus, you need to configure and compile |Gromacs| for the SIMD capabilities of the target CPU.
198 By default, the build system will detect the highest supported
199 acceleration of the host where the compilation is carried out. For cross-compiling for
200 a machine with a different highest SIMD instructions set, in order to set the target acceleration,
201 the ``-DGMX_SIMD`` CMake option can be used.
202 To use a single
203 installation on multiple different machines, it is convenient to compile the analysis tools with
204 the lowest common SIMD instruction set (as these rely little on SIMD acceleration), but for best
205 performance :ref:`mdrun <gmx mdrun>` should be compiled be compiled separately with the
206 highest (latest) ``native`` SIMD instruction set of the target architecture (supported by |Gromacs|).
207
208 Recent Intel CPU architectures bring tradeoffs between the maximum clock frequency of the
209 CPU (ie. its speed), and the width of the SIMD instructions it executes (ie its throughput
210 at a given speed). In particular, the Intel ``Skylake`` and ``Cascade Lake`` processors
211 (e.g. Xeon SP Gold/Platinum), can offer better throughput when using narrower SIMD because
212 of the better clock frequency available. Consider building :ref:`mdrun <gmx mdrun>`
213 configured with ``GMX_SIMD=AVX2_256`` instead of ``GMX_SIMD=AVX512`` for better
214 performance in GPU accelerated or highly parallel MPI runs.
215
216 Process(-or) level parallelization via OpenMP
217 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
218
219 |Gromacs| :ref:`mdrun <gmx mdrun>` supports OpenMP multithreading for all parts
220 of the code. OpenMP is enabled by default and
221 can be turned on/off at configure time with the ``GMX_OPENMP`` CMake variable
222 and at run-time with the ``-ntomp`` option (or the ``OMP_NUM_THREADS`` environment variable).
223 The OpenMP implementation is quite efficient and scales well for up to 12-24 threads on
224 Intel and 6-8 threads on AMD CPUs.
225
226 Node level parallelization via GPU offloading and thread-MPI
227 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
228
229 Multithreading with thread-MPI
230 ..............................
231
232 The thread-MPI library implements a subset of the MPI 1.1 specification,
233 based on the system threading support. Both POSIX pthreads and Windows threads are supported,
234 thus providing great portability to most UNIX/Linux and Windows operating systems.
235 Acting as a drop-in replacement for MPI, thread-MPI enables compiling and running :ref:`mdrun <gmx mdrun>`
236 on a single machine (i.e. not across a network) without MPI. Additionally, it not only provides a
237 convenient way to use computers with multicore CPU(s), but thread-MPI does in some
238 cases make :ref:`mdrun <gmx mdrun>` run slightly faster than with MPI.
239
240 Thread-MPI is included in the |Gromacs| source and it is the default parallelization since
241 version 4.5, practically rendering the serial :ref:`mdrun <gmx mdrun>` deprecated.
242 Compilation with thread-MPI is controlled by the ``GMX_THREAD_MPI`` CMake variable.
243
244 Thread-MPI is compatible with most :ref:`mdrun <gmx mdrun>` features and parallelization schemes,
245 including OpenMP, GPUs; it is not compatible with MPI and multi-simulation runs.
246
247 By default, the thread-MPI mdrun will use all available cores in the machine by starting
248 an appropriate number of ranks or OpenMP threads to occupy all of them. The number of
249 ranks can be controlled using the
250 ``-nt`` and ``-ntmpi`` options. ``-nt`` represents the total number of threads
251 to be used (which can be a mix of thread-MPI and OpenMP threads.
252
253 Hybrid/heterogeneous acceleration
254 .................................
255
256 Hybrid acceleration means distributing compute work between available CPUs and GPUs
257 to improve simulation performance. New non-bonded algorithms
258 have been developed with the aim of efficient acceleration both on CPUs and GPUs.
259
260 The most compute-intensive parts of simulations, non-bonded force calculation, as well
261 as possibly the PME, bonded force calculation and update and constraints can be
262 offloaded to GPUs and carried out simultaneously with remaining CPU work.
263 Native GPU acceleration is supported for the most commonly used algorithms in
264 |Gromacs|.
265 For more information about the GPU kernels, please see the :ref:`Installation guide <gmx-gpu-support>`.
266
267 The native GPU acceleration can be turned on or off, either at run-time using the
268 :ref:`mdrun <gmx mdrun>` ``-nb`` option, or at configuration time using the ``GMX_GPU`` CMake variable.
269
270 To efficiently use all compute resource available, CPU and GPU computation is done simultaneously.
271 Overlapping with the OpenMP multithreaded bonded force and PME long-range electrostatic calculations
272 on the CPU, non-bonded forces are calculated on the GPU. Multiple GPUs, both in a single node as
273 well as across multiple nodes, are supported using domain-decomposition. A single GPU is assigned
274 to the non-bonded workload of a domain, therefore, the number GPUs used has to match the number
275 of of MPI processes (or thread-MPI threads) the simulation is started with. The available
276 CPU cores are partitioned among the processes (or thread-MPI threads) and a set of cores
277 with a GPU do the calculations on the respective domain.
278
279 With PME electrostatics, :ref:`mdrun <gmx mdrun>` supports automated CPU-GPU load-balancing by
280 shifting workload from the PME mesh calculations, done on the CPU, to the particle-particle
281 non-bonded calculations, done on the GPU. At startup a few iterations of tuning are executed
282 during the first 100 to 1000 MD steps. These iterations involve scaling the electrostatics cut-off
283 and PME grid spacing to determine the value that gives optimal CPU-GPU load balance. The cut-off
284 value provided using the :mdp:`rcoulomb` ``=rvdw`` :ref:`mdp` option represents the minimum
285 electrostatics cut-off the tuning starts with and therefore should be chosen as small as
286 possible (but still reasonable for the physics simulated). The Lennard-Jones cut-off ``rvdw``
287 is kept fixed. We don't allow scaling to shorter cut-off as we don't want to change ``rvdw``
288 and there would be no performance gain.
289
290 While the automated CPU-GPU load balancing always attempts to find the optimal cut-off setting,
291 it might not always be possible to balance CPU and GPU workload. This happens when the CPU threads
292 finish calculating the bonded forces and PME faster than the GPU the non-bonded force calculation,
293 even with the shortest possible cut-off. In such cases the CPU will wait for the GPU and this
294 time will show up as ``Wait GPU local`` in the cycle and timing summary table at the end
295 of the log file.
296
297 Parallelization over multiple nodes via MPI
298 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
299
300 At the heart of the MPI parallelization in |Gromacs| is the neutral-territory
301 :ref:`domain decomposition <gmx-domain-decomp>` with dynamic load balancing.
302 To parallelize simulations across multiple machines (e.g. nodes of a cluster)
303 :ref:`mdrun <gmx mdrun>` needs to be compiled with MPI which can be enabled using the ``GMX_MPI`` CMake variable.
304
305 .. _controlling-the-domain-decomposition-algorithm:
306
307 Controlling the domain decomposition algorithm
308 ..............................................
309
310 This section lists options that affect how the domain
311 decomposition algorithm decomposes the workload to the available
312 parallel hardware.
313
314 ``-rdd``
315     Can be used to set the required maximum distance for inter
316     charge-group bonded interactions. Communication for two-body
317     bonded interactions below the non-bonded cut-off distance always
318     comes for free with the non-bonded communication. Particles beyond
319     the non-bonded cut-off are only communicated when they have
320     missing bonded interactions; this means that the extra cost is
321     minor and nearly independent of the value of ``-rdd``. With dynamic
322     load balancing, option ``-rdd`` also sets the lower limit for the
323     domain decomposition cell sizes. By default ``-rdd`` is determined
324     by :ref:`gmx mdrun` based on the initial coordinates. The chosen value will
325     be a balance between interaction range and communication cost.
326
327 ``-ddcheck``
328     On by default. When inter charge-group bonded interactions are
329     beyond the bonded cut-off distance, :ref:`gmx mdrun` terminates with an
330     error message. For pair interactions and tabulated bonds that do
331     not generate exclusions, this check can be turned off with the
332     option ``-noddcheck``.
333
334 ``-rcon``
335     When constraints are present, option ``-rcon`` influences
336     the cell size limit as well.
337     Particles connected by NC constraints, where NC is the LINCS order
338     plus 1, should not be beyond the smallest cell size. A error
339     message is generated when this happens, and the user should change
340     the decomposition or decrease the LINCS order and increase the
341     number of LINCS iterations.  By default :ref:`gmx mdrun` estimates the
342     minimum cell size required for P-LINCS in a conservative
343     fashion. For high parallelization, it can be useful to set the
344     distance required for P-LINCS with ``-rcon``.
345
346 ``-dds``
347     Sets the minimum allowed x, y and/or z scaling of the cells with
348     dynamic load balancing. :ref:`gmx mdrun` will ensure that the cells can
349     scale down by at least this factor. This option is used for the
350     automated spatial decomposition (when not using ``-dd``) as well as
351     for determining the number of grid pulses, which in turn sets the
352     minimum allowed cell size. Under certain circumstances the value
353     of ``-dds`` might need to be adjusted to account for high or low
354     spatial inhomogeneity of the system.
355
356
357
358 Multi-level parallelization: MPI and OpenMP
359 ...........................................
360
361 The multi-core trend in CPU development substantiates the need for multi-level parallelization.
362 Current multiprocessor machines can have 2-4 CPUs with a core count as high as 64. As the memory
363 and cache subsystem is lagging more and more behind the multicore evolution, this emphasizes
364 non-uniform memory access (NUMA) effects, which can become a performance bottleneck. At the same
365 time, all cores share a network interface. In a purely MPI-parallel scheme, all MPI processes
366 use the same network interface, and although MPI intra-node communication is generally efficient,
367 communication between nodes can become a limiting factor to parallelization. This is especially
368 pronounced in the case of highly parallel simulations with PME (which is very communication
369 intensive) and with ``''fat''`` nodes connected by a slow network. Multi-level parallelism aims
370 to address the NUMA and communication related issues by employing efficient
371 intra-node parallelism, typically multithreading.
372
373 Combining OpenMP with MPI creates an additional overhead
374 especially when running separate multi-threaded PME ranks. Depending on the architecture,
375 input system size, as well as other factors, MPI+OpenMP runs can be as fast and faster
376 already at small number of processes (e.g. multi-processor Intel Westmere or Sandy Bridge),
377 but can also be considerably slower (e.g. multi-processor AMD Interlagos machines). However,
378 there is a more pronounced benefit of multi-level parallelization in highly parallel runs.
379
380 Separate PME ranks
381 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
382
383 On CPU ranks, particle-particle (PP) and PME calculations are done in the same process one after
384 another. As PME requires all-to-all global communication, this is most of the time the limiting
385 factor to scaling on a large number of cores. By designating a subset of ranks for PME
386 calculations only, performance of parallel runs can be greatly improved.
387
388 OpenMP mutithreading in PME ranks is also possible.
389 Using multi-threading in PME can can improve performance at high
390 parallelization. The reason for this is that with N>1 threads the number of processes
391 communicating, and therefore the number of messages, is reduced by a factor of N.
392 But note that modern communication networks can process several messages simultaneously,
393 such that it could be advantageous to have more processes communicating.
394
395 Separate PME ranks are not used at low parallelization, the switch at higher parallelization
396 happens automatically (at > 16 processes). The number of PME ranks is estimated by mdrun.
397 If the PME load is higher than the PP load, mdrun will automatically balance the load, but
398 this leads to additional (non-bonded) calculations. This avoids the idling of a large fraction
399 of the ranks; usually 3/4 of the ranks are PP ranks. But to ensure the best absolute performance
400 of highly parallel runs, it is advisable to tweak this number which is automated by
401 the :ref:`tune_pme <gmx tune_pme>` tool.
402
403 The number of PME ranks can be set manually on the :ref:`mdrun <gmx mdrun>` command line using the ``-npme``
404 option, the number of PME threads can be specified on the command line with ``-ntomp_pme`` or
405 alternatively using the ``GMX_PME_NUM_THREADS`` environment variable. The latter is especially
406 useful when running on compute nodes with different number of cores as it enables
407 setting different number of PME threads on different nodes.
408
409 Running :ref:`mdrun <gmx mdrun>` within a single node
410 -----------------------------------------------------
411
412 :ref:`gmx mdrun` can be configured and compiled in several different ways that
413 are efficient to use within a single :term:`node`. The default configuration
414 using a suitable compiler will deploy a multi-level hybrid parallelism
415 that uses CUDA, OpenMP and the threading platform native to the
416 hardware. For programming convenience, in |Gromacs|, those native
417 threads are used to implement on a single node the same MPI scheme as
418 would be used between nodes, but much more efficient; this is called
419 thread-MPI. From a user's perspective, real MPI and thread-MPI look
420 almost the same, and |Gromacs| refers to MPI ranks to mean either kind,
421 except where noted. A real external MPI can be used for :ref:`gmx mdrun` within
422 a single node, but runs more slowly than the thread-MPI version.
423
424 By default, :ref:`gmx mdrun` will inspect the hardware available at run time
425 and do its best to make fairly efficient use of the whole node. The
426 log file, stdout and stderr are used to print diagnostics that
427 inform the user about the choices made and possible consequences.
428
429 A number of command-line parameters are available to modify the default
430 behavior.
431
432 ``-nt``
433     The total number of threads to use. The default, 0, will start as
434     many threads as available cores. Whether the threads are
435     thread-MPI ranks, and/or OpenMP threads within such ranks depends on
436     other settings.
437
438 ``-ntmpi``
439     The total number of thread-MPI ranks to use. The default, 0,
440     will start one rank per GPU (if present), and otherwise one rank
441     per core.
442
443 ``-ntomp``
444     The total number of OpenMP threads per rank to start. The
445     default, 0, will start one thread on each available core.
446     Alternatively, :ref:`mdrun <gmx mdrun>` will honor the appropriate system
447     environment variable (e.g. ``OMP_NUM_THREADS``) if set.
448     Note that the maximum number of OpenMP threads (per rank) is,
449     for efficiency reasons, limited to 64. While it is rarely beneficial to use
450     a number of threads higher than this, the GMX_OPENMP_MAX_THREADS CMake variable
451     can be used to increase the limit.
452
453 ``-npme``
454     The total number of ranks to dedicate to the long-ranged
455     component of PME, if used. The default, -1, will dedicate ranks
456     only if the total number of threads is at least 12, and will use
457     around a quarter of the ranks for the long-ranged component.
458
459 ``-ntomp_pme``
460     When using PME with separate PME ranks,
461     the total number of OpenMP threads per separate PME rank.
462     The default, 0, copies the value from ``-ntomp``.
463
464 ``-pin``
465     Can be set to "auto," "on" or "off" to control whether
466     :ref:`mdrun <gmx mdrun>` will attempt to set the affinity of threads to cores.
467     Defaults to "auto," which means that if :ref:`mdrun <gmx mdrun>` detects that all the
468     cores on the node are being used for :ref:`mdrun <gmx mdrun>`, then it should behave
469     like "on," and attempt to set the affinities (unless they are
470     already set by something else).
471
472 ``-pinoffset``
473     If ``-pin on``, specifies the logical core number to
474     which :ref:`mdrun <gmx mdrun>` should pin the first thread. When running more than
475     one instance of :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on a node, use this option to to avoid
476     pinning threads from different :ref:`mdrun <gmx mdrun>` instances to the same core.
477
478 ``-pinstride``
479     If ``-pin on``, specifies the stride in logical core
480     numbers for the cores to which :ref:`mdrun <gmx mdrun>` should pin its threads. When
481     running more than one instance of :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on a node, use this option
482     to avoid pinning threads from different :ref:`mdrun <gmx mdrun>` instances to the
483     same core.  Use the default, 0, to minimize the number of threads
484     per physical core - this lets :ref:`mdrun <gmx mdrun>` manage the hardware-, OS- and
485     configuration-specific details of how to map logical cores to
486     physical cores.
487
488 ``-ddorder``
489     Can be set to "interleave," "pp_pme" or "cartesian."
490     Defaults to "interleave," which means that any separate PME ranks
491     will be mapped to MPI ranks in an order like PP, PP, PME, PP, PP,
492     PME, etc. This generally makes the best use of the available
493     hardware. "pp_pme" maps all PP ranks first, then all PME
494     ranks. "cartesian" is a special-purpose mapping generally useful
495     only on special torus networks with accelerated global
496     communication for Cartesian communicators. Has no effect if there
497     are no separate PME ranks.
498
499 ``-nb``
500     Used to set where to execute the short-range non-bonded interactions.
501     Can be set to "auto", "cpu", "gpu."
502     Defaults to "auto," which uses a compatible GPU if available.
503     Setting "cpu" requires that no GPU is used. Setting "gpu" requires
504     that a compatible GPU is available and will be used.
505
506 ``-pme``
507     Used to set where to execute the long-range non-bonded interactions.
508     Can be set to "auto", "cpu", "gpu."
509     Defaults to "auto," which uses a compatible GPU if available.
510     Setting "gpu" requires that a compatible GPU is available.
511     Multiple PME ranks are not supported with PME on GPU, so if a GPU is used
512     for the PME calculation -npme must be set to 1.
513
514 ``-bonded``
515     Used to set where to execute the bonded interactions that are part of the
516     PP workload for a domain.
517     Can be set to "auto", "cpu", "gpu."
518     Defaults to "auto," which uses a compatible CUDA GPU only when one
519     is available, a GPU is handling short-ranged interactions, and the
520     CPU is handling long-ranged interaction work (electrostatic or
521     LJ). The work for the bonded interactions takes place on the same
522     GPU as the short-ranged interactions, and cannot be independently
523     assigned.
524     Setting "gpu" requires that a compatible GPU is available and will
525     be used.
526
527 ``-update``
528     Used to set where to execute update and constraints, when present.
529     Can be set to "auto", "cpu", "gpu."
530     Defaults to "auto," which currently always uses the CPU.
531     Setting "gpu" requires that a compatible CUDA GPU is available,
532     the simulation uses a single rank.
533     Update and constraints on a GPU is currently not supported
534     with domain decomposition, free-energy, virtual sites,
535     Ewald surface correction, replica exchange, constraint pulling,
536     orientation restraints and computational electrophysiology.
537
538 ``-gpu_id``
539     A string that specifies the ID numbers of the GPUs that
540     are available to be used by ranks on each node. For example,
541     "12" specifies that the GPUs with IDs 1 and 2 (as reported
542     by the GPU runtime) can be used by :ref:`mdrun <gmx mdrun>`. This is useful
543     when sharing a node with other computations, or if a GPU that
544     is dedicated to a display should not be used by |Gromacs|.
545     Without specifying this parameter, :ref:`mdrun <gmx mdrun>`
546     will utilize all GPUs. When many GPUs are
547     present, a comma may be used to separate the IDs, so
548     "12,13" would make GPUs 12 and 13 available to :ref:`mdrun <gmx mdrun>`.
549     It could be necessary to use different GPUs on different
550     nodes of a simulation, in which case the environment
551     variable ``GMX_GPU_ID`` can be set differently for the ranks
552     on different nodes to achieve that result.
553     In |Gromacs| versions preceding 2018 this parameter used to
554     specify both GPU availability and GPU task assignment.
555     The latter is now done with the ``-gputasks`` parameter.
556
557 ``-gputasks``
558     A string that specifies the ID numbers of the GPUs to be
559     used by corresponding GPU tasks on this node. For example,
560     "0011" specifies that the first two GPU tasks will use GPU 0,
561     and the other two use GPU 1. When using this option, the
562     number of ranks must be known to :ref:`mdrun <gmx mdrun>`, as well as where
563     tasks of different types should be run, such as by using
564     ``-nb gpu`` - only the tasks which are set to run on GPUs
565     count for parsing the mapping. See `Assigning tasks to GPUs`_
566     for more details. Note that ``-gpu_id`` and
567     ``-gputasks`` can not be used at the same time!
568     In |Gromacs| versions preceding 2018 only a single type
569     of GPU task ("PP") could be run on any rank. Now that there is some
570     support for running PME on GPUs, the number of GPU tasks
571     (and the number of GPU IDs expected in the ``-gputasks`` string)
572     can actually be 3 for a single-rank simulation. The IDs
573     still have to be the same in this case, as using multiple GPUs
574     per single rank is not yet implemented.
575     The order of GPU tasks per rank in the string is PP first,
576     PME second. The order of ranks with different kinds of GPU tasks
577     is the same by default, but can be influenced with the ``-ddorder``
578     option and gets quite complex when using multiple nodes.
579     Note that the bonded interactions for a PP task may
580     run on the same GPU as the short-ranged work, or on the CPU,
581     which can be controlled with the ``-bonded`` flag.
582     The GPU task assignment (whether manually set, or automated),
583     will be reported in the :ref:`mdrun <gmx mdrun>` output on
584     the first physical node of the simulation. For example:
585
586     ::
587
588       gmx mdrun -gputasks 0001 -nb gpu -pme gpu -npme 1 -ntmpi 4
589
590     will produce the following output in the log file/terminal:
591
592     ::
593
594       On host tcbl14 2 GPUs selected for this run.
595       Mapping of GPU IDs to the 4 GPU tasks in the 4 ranks on this node:
596       PP:0,PP:0,PP:0,PME:1
597
598     In this case, 3 ranks are set by user to compute PP work
599     on GPU 0, and 1 rank to compute PME on GPU 1.
600     The detailed indexing of the GPUs is also reported in the log file.
601
602     For more information about GPU tasks, please refer to
603     :ref:`Types of GPU tasks<gmx-gpu-tasks>`.
604
605 ``-pmefft``
606     Allows choosing whether to execute the 3D FFT computation on a CPU or GPU.
607     Can be set to "auto", "cpu", "gpu.".
608     When PME is offloaded to a GPU ``-pmefft gpu`` is the default,
609     and the entire PME calculation is executed on the GPU. However,
610     in some cases, e.g. with a relatively slow or older generation GPU
611     combined with fast CPU cores in a run, moving some work off of the GPU
612     back to the CPU by computing FFTs on the CPU can improve performance.
613
614 .. _gmx-mdrun-single-node:
615
616 Examples for :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on one node
617 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
618
619 ::
620
621     gmx mdrun
622
623 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using all the available resources. :ref:`mdrun <gmx mdrun>`
624 will automatically choose a fairly efficient division
625 into thread-MPI ranks, OpenMP threads and assign work
626 to compatible GPUs. Details will vary with hardware
627 and the kind of simulation being run.
628
629 ::
630
631     gmx mdrun -nt 8
632
633 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using 8 threads, which might be thread-MPI
634 or OpenMP threads depending on hardware and the kind
635 of simulation being run.
636
637 ::
638
639     gmx mdrun -ntmpi 2 -ntomp 4
640
641 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using eight total threads, with two thread-MPI
642 ranks and four OpenMP threads per rank. You should only use
643 these options when seeking optimal performance, and
644 must take care that the ranks you create can have
645 all of their OpenMP threads run on the same socket.
646 The number of ranks should be a multiple of the number of
647 sockets, and the number of cores per node should be
648 a multiple of the number of threads per rank.
649
650 ::
651
652     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme cpu
653
654 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using four thread-MPI ranks. The CPU
655 cores available will be split evenly between the ranks using OpenMP
656 threads. The long-range component of the forces are calculated on
657 CPUs. This may be optimal on hardware where the CPUs are relatively
658 powerful compared to the GPUs. The bonded part of force calculation
659 will automatically be assigned to the GPU, since the long-range
660 component of the forces are calculated on CPU(s).
661
662 ::
663
664     gmx mdrun -ntmpi 1 -nb gpu -pme gpu -bonded gpu -update gpu
665
666 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using a single thread-MPI rank that
667 will use all available CPU cores. All interaction types that can run
668 on a GPU will do so. This may be optimal on hardware where the CPUs
669 are extremely weak compared to the GPUs.
670
671 ::
672
673     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme cpu -gputasks 0011
674
675 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using four thread-MPI ranks, and maps them
676 to GPUs with IDs 0 and 1. The CPU cores available will be split evenly between
677 the ranks using OpenMP threads, with the first two ranks offloading short-range
678 nonbonded force calculations to GPU 0, and the last two ranks offloading to GPU 1.
679 The long-range component of the forces are calculated on CPUs. This may be optimal
680 on hardware where the CPUs are relatively powerful compared to the GPUs.
681
682 ::
683
684     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme gpu -npme 1 -gputasks 0001
685
686 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using four thread-MPI ranks, one of which is
687 dedicated to the long-range PME calculation. The first 3 threads offload their
688 short-range non-bonded calculations to the GPU with ID 0, the 4th (PME) thread
689 offloads its calculations to the GPU with ID 1.
690
691 ::
692
693     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme gpu -npme 1 -gputasks 0011
694
695 Similar to the above example, with 3 ranks assigned to calculating short-range
696 non-bonded forces, and one rank assigned to calculate the long-range forces.
697 In this case, 2 of the 3 short-range ranks offload their nonbonded force
698 calculations to GPU 0. The GPU with ID 1 calculates the short-ranged forces of
699 the 3rd short-range rank, as well as the long-range forces of the PME-dedicated
700 rank. Whether this or the above example is optimal will depend on the capabilities
701 of the individual GPUs and the system composition.
702
703 ::
704
705     gmx mdrun -gpu_id 12
706
707 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using GPUs with IDs 1 and 2 (e.g. because
708 GPU 0 is dedicated to running a display). This requires
709 two thread-MPI ranks, and will split the available
710 CPU cores between them using OpenMP threads.
711
712 ::
713
714     gmx mdrun -nt 6 -pin on -pinoffset 0 -pinstride 1
715     gmx mdrun -nt 6 -pin on -pinoffset 6 -pinstride 1
716
717 Starts two :ref:`mdrun <gmx mdrun>` processes, each with six total threads
718 arranged so that the processes affect each other as little as possible by
719 being assigned to disjoint sets of physical cores.
720 Threads will have their affinities set to particular
721 logical cores, beginning from the first and 7th logical cores, respectively. The
722 above would work well on an Intel CPU with six physical cores and
723 hyper-threading enabled. Use this kind of setup only
724 if restricting :ref:`mdrun <gmx mdrun>` to a subset of cores to share a
725 node with other processes.
726 A word of caution: The mapping of logical CPUs/cores to physical
727 cores may differ between operating systems. On Linux,
728 ``cat /proc/cpuinfo`` can be examined to determine this mapping.
729
730 ::
731
732     mpirun -np 2 gmx_mpi mdrun
733
734 When using an :ref:`gmx mdrun` compiled with external MPI,
735 this will start two ranks and as many OpenMP threads
736 as the hardware and MPI setup will permit. If the
737 MPI setup is restricted to one node, then the resulting
738 :ref:`gmx mdrun` will be local to that node.
739
740 .. _gmx-mdrun-multiple-nodes:
741
742 Running :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on more than one node
743 ------------------------------------------------------
744
745 This requires configuring |Gromacs| to build with an external MPI
746 library. By default, this :ref:`mdrun <gmx mdrun>` executable is run with
747 :ref:`mdrun_mpi`. All of the considerations for running single-node
748 :ref:`mdrun <gmx mdrun>` still apply, except that ``-ntmpi`` and ``-nt`` cause a fatal
749 error, and instead the number of ranks is controlled by the
750 MPI environment.
751 Settings such as ``-npme`` are much more important when
752 using multiple nodes. Configuring the MPI environment to
753 produce one rank per core is generally good until one
754 approaches the strong-scaling limit. At that point, using
755 OpenMP to spread the work of an MPI rank over more than one
756 core is needed to continue to improve absolute performance.
757 The location of the scaling limit depends on the processor,
758 presence of GPUs, network, and simulation algorithm, but
759 it is worth measuring at around ~200 particles/core if you
760 need maximum throughput.
761
762 There are further command-line parameters that are relevant in these
763 cases.
764
765 ``-tunepme``
766     Defaults to "on." If "on," a simulation will
767     optimize various aspects of the PME and DD algorithms, shifting
768     load between ranks and/or GPUs to maximize throughput. Some
769     :ref:`mdrun <gmx mdrun>` features are not compatible with this, and these ignore
770     this option.
771
772 ``-dlb``
773     Can be set to "auto," "no," or "yes."
774     Defaults to "auto." Doing Dynamic Load Balancing between MPI ranks
775     is needed to maximize performance. This is particularly important
776     for molecular systems with heterogeneous particle or interaction
777     density. When a certain threshold for performance loss is
778     exceeded, DLB activates and shifts particles between ranks to improve
779     performance. If available, using ``-bonded gpu`` is expected
780     to improve the ability of DLB to maximize performance.
781
782 During the simulation :ref:`gmx mdrun` must communicate between all
783 PP ranks to compute quantities such as kinetic energy for log file
784 reporting, or perhaps temperature coupling. By default, this happens
785 whenever necessary to honor several :ref:`mdp options <mdp-general>`,
786 so that the period between communication phases is the least common
787 denominator of :mdp:`nstlist`, :mdp:`nstcalcenergy`,
788 :mdp:`nsttcouple`, and :mdp:`nstpcouple`.
789
790 Note that ``-tunepme`` has more effect when there is more than one
791 :term:`node`, because the cost of communication for the PP and PME
792 ranks differs. It still shifts load between PP and PME ranks, but does
793 not change the number of separate PME ranks in use.
794
795 Note also that ``-dlb`` and ``-tunepme`` can interfere with each other, so
796 if you experience performance variation that could result from this,
797 you may wish to tune PME separately, and run the result with ``mdrun
798 -notunepme -dlb yes``.
799
800 The :ref:`gmx tune_pme` utility is available to search a wider
801 range of parameter space, including making safe
802 modifications to the :ref:`tpr` file, and varying ``-npme``.
803 It is only aware of the number of ranks created by
804 the MPI environment, and does not explicitly manage
805 any aspect of OpenMP during the optimization.
806
807 Examples for :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on more than one node
808 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
809
810 The examples and explanations for for single-node :ref:`mdrun <gmx mdrun>` are
811 still relevant, but ``-ntmpi`` is no longer the way
812 to choose the number of MPI ranks.
813
814 ::
815
816     mpirun -np 16 gmx_mpi mdrun
817
818 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 16 ranks, which are mapped to
819 the hardware by the MPI library, e.g. as specified
820 in an MPI hostfile. The available cores will be
821 automatically split among ranks using OpenMP threads,
822 depending on the hardware and any environment settings
823 such as ``OMP_NUM_THREADS``.
824
825 ::
826
827     mpirun -np 16 gmx_mpi mdrun -npme 5
828
829 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 16 ranks, as above, and
830 require that 5 of them are dedicated to the PME
831 component.
832
833 ::
834
835     mpirun -np 11 gmx_mpi mdrun -ntomp 2 -npme 6 -ntomp_pme 1
836
837 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 11 ranks, as above, and
838 require that six of them are dedicated to the PME
839 component with one OpenMP thread each. The remaining
840 five do the PP component, with two OpenMP threads
841 each.
842
843 ::
844
845     mpirun -np 4 gmx_mpi mdrun -ntomp 6 -nb gpu -gputasks 00
846
847 Starts :ref:`mdrun_mpi` on a machine with two nodes, using
848 four total ranks, each rank with six OpenMP threads,
849 and both ranks on a node sharing GPU with ID 0.
850
851 ::
852
853     mpirun -np 8 gmx_mpi mdrun -ntomp 3 -gputasks 0000
854
855 Using a same/similar hardware as above,
856 starts :ref:`mdrun_mpi` on a machine with two nodes, using
857 eight total ranks, each rank with three OpenMP threads,
858 and all four ranks on a node sharing GPU with ID 0.
859 This may or may not be faster than the previous setup
860 on the same hardware.
861
862 ::
863
864     mpirun -np 20 gmx_mpi mdrun -ntomp 4 -gputasks 00
865
866 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 20 ranks, and assigns the CPU cores evenly
867 across ranks each to one OpenMP thread. This setup is likely to be
868 suitable when there are ten nodes, each with one GPU, and each node
869 has two sockets each of four cores.
870
871 ::
872
873     mpirun -np 10 gmx_mpi mdrun -gpu_id 1
874
875 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 20 ranks, and assigns the CPU cores evenly
876 across ranks each to one OpenMP thread. This setup is likely to be
877 suitable when there are ten nodes, each with two GPUs, but another
878 job on each node is using GPU 0. The job scheduler should set the
879 affinity of threads of both jobs to their allocated cores, or the
880 performance of :ref:`mdrun <gmx mdrun>` will suffer greatly.
881
882 ::
883
884     mpirun -np 20 gmx_mpi mdrun -gpu_id 01
885
886 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 20 ranks. This setup is likely
887 to be suitable when there are ten nodes, each with two
888 GPUs, but there is no need to specify ``-gpu_id`` for the
889 normal case where all the GPUs on the node are available
890 for use.
891
892 Approaching the scaling limit
893 -----------------------------
894
895 There are several aspects of running a |Gromacs| simulation that are important as the number
896 of atoms per core approaches the current scaling limit of ~100 atoms/core.
897
898 One of these is that the use of ``constraints = all-bonds``  with P-LINCS
899 sets an artificial minimum on the size of domains. You should reconsider the use
900 of constraints to all bonds (and bear in mind possible consequences on the safe maximum for dt),
901 or change lincs_order and lincs_iter suitably.
902
903 Finding out how to run :ref:`mdrun <gmx mdrun>` better
904 ------------------------------------------------------
905
906 The Wallcycle module is used for runtime performance measurement of :ref:`gmx mdrun`.
907 At the end of the log file of each run, the "Real cycle and time accounting" section
908 provides a table with runtime statistics for different parts of the :ref:`gmx mdrun` code
909 in rows of the table.
910 The table contains colums indicating the number of ranks and threads that
911 executed the respective part of the run, wall-time and cycle
912 count aggregates (across all threads and ranks) averaged over the entire run.
913 The last column also shows what precentage of the total runtime each row represents.
914 Note that the :ref:`gmx mdrun` timer resetting functionalities (``-resethway`` and ``-resetstep``)
915 reset the performance counters and therefore are useful to avoid startup overhead and
916 performance instability (e.g. due to load balancing) at the beginning of the run.
917
918 The performance counters are:
919
920 * Particle-particle during Particle mesh Ewald
921 * Domain decomposition
922 * Domain decomposition communication load
923 * Domain decomposition communication bounds
924 * Virtual site constraints
925 * Send X to Particle mesh Ewald
926 * Neighbor search
927 * Launch GPU operations
928 * Communication of coordinates
929 * Force
930 * Waiting + Communication of force
931 * Particle mesh Ewald
932 * PME redist. X/F
933 * PME spread
934 * PME gather
935 * PME 3D-FFT
936 * PME 3D-FFT Communication
937 * PME solve Lennard-Jones
938 * PME solve LJ
939 * PME solve Elec
940 * PME wait for particle-particle
941 * Wait + Receive PME force
942 * Wait GPU nonlocal
943 * Wait GPU local
944 * Wait PME GPU spread
945 * Wait PME GPU gather
946 * Reduce PME GPU Force
947 * Non-bonded position/force buffer operations
948 * Virtual site spread
949 * COM pull force
950 * AWH (accelerated weight histogram method)
951 * Write trajectory
952 * Update
953 * Constraints
954 * Communication of energies
955 * Enforced rotation
956 * Add rotational forces
957 * Position swapping
958 * Interactive MD
959
960 As performance data is collected for every run, they are essential to assessing
961 and tuning the performance of :ref:`gmx mdrun` performance. Therefore, they benefit
962 both code developers as well as users of the program.
963 The counters are an average of the time/cycles different parts of the simulation take,
964 hence can not directly reveal fluctuations during a single run (although comparisons across
965 multiple runs are still very useful).
966
967 Counters will appear in an MD log file only if the related parts of the code were
968 executed during the :ref:`gmx mdrun` run. There is also a special counter called "Rest" which
969 indicates the amount of time not accounted for by any of the counters above. Therefore,
970 a significant amount "Rest" time (more than a few percent) will often be an indication of
971 parallelization inefficiency (e.g. serial code) and it is recommended to be reported to the
972 developers.
973
974 An additional set of subcounters can offer more fine-grained inspection of performance. They are:
975
976 * Domain decomposition redistribution
977 * DD neighbor search grid + sort
978 * DD setup communication
979 * DD make topology
980 * DD make constraints
981 * DD topology other
982 * Neighbor search grid local
983 * NS grid non-local
984 * NS search local
985 * NS search non-local
986 * Bonded force
987 * Bonded-FEP force
988 * Restraints force
989 * Listed buffer operations
990 * Nonbonded pruning
991 * Nonbonded force
992 * Launch non-bonded GPU tasks
993 * Launch PME GPU tasks
994 * Ewald force correction
995 * Non-bonded position buffer operations
996 * Non-bonded force buffer operations
997
998 Subcounters are geared toward developers and have to be enabled during compilation. See
999 :doc:`/dev-manual/build-system` for more information.
1000
1001 .. TODO In future patch:
1002    - red flags in log files, how to interpret wallcycle output
1003    - hints to devs how to extend wallcycles
1004
1005 .. _gmx-mdrun-on-gpu:
1006
1007 Running :ref:`mdrun <gmx mdrun>` with GPUs
1008 ------------------------------------------
1009
1010 .. _gmx-gpu-tasks:
1011
1012 Types of GPU tasks
1013 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1014
1015 To better understand the later sections on different GPU use cases for
1016 calculation of :ref:`short range<gmx-gpu-pp>`, :ref:`PME<gmx-gpu-pme>`,
1017 :ref:`bonded interactions<gmx-gpu-bonded>` and
1018 :ref:`update and constraints <gmx-gpu-update>`
1019 we first introduce the concept of different GPU tasks. When thinking about
1020 running a simulation, several different kinds of interactions between the atoms
1021 have to be calculated (for more information please refer to the reference manual).
1022 The calculation can thus be split into several distinct parts that are largely independent
1023 of each other (hence can be calculated in any order, e.g. sequentially or concurrently),
1024 with the information from each of them combined at the end of
1025 time step to obtain the final forces on each atom and to propagate the system
1026 to the next time point. For a better understanding also please see the section
1027 on :ref:`domain decomposition <gmx-domain-decomp>`.
1028
1029 Of all calculations required for an MD step,
1030 GROMACS aims to optimize performance bottom-up for each step
1031 from the lowest level (SIMD unit, cores, sockets, accelerators, etc.).
1032 Therefore many of the individual computation units are
1033 highly tuned for the lowest level of hardware parallelism: the SIMD units.
1034 Additionally, with GPU accelerators used as *co-processors*, some of the work
1035 can be *offloaded*, that is calculated simultaneously/concurrently with the CPU
1036 on the accelerator device, with the result being communicated to the CPU.
1037 Right now, |Gromacs| supports GPU accelerator offload of two tasks:
1038 the short-range :ref:`nonbonded interactions in real space <gmx-gpu-pp>`,
1039 and :ref:`PME <gmx-gpu-pme>`.
1040
1041 **Please note that the solving of PME on GPU is still only the initial
1042 version supporting this behaviour, and comes with a set of limitations
1043 outlined further below.**
1044
1045 Right now, we generally support short-range nonbonded offload with and
1046 without dynamic pruning on a wide range of GPU accelerators
1047 (both NVIDIA and AMD). This is compatible with the grand majority of
1048 the features and parallelization modes and can be used to scale to large machines.
1049
1050 Simultaneously offloading both short-range nonbonded and long-range
1051 PME work to GPU accelerators is a new feature that that has some
1052 restrictions in terms of feature and parallelization
1053 compatibility (please see the :ref:`section below <gmx-pme-gpu-limitations>`).
1054
1055 .. _gmx-gpu-pp:
1056
1057 GPU computation of short range nonbonded interactions
1058 .....................................................
1059
1060 .. TODO make this more elaborate and include figures
1061
1062 Using the GPU for the short-ranged nonbonded interactions provides
1063 the majority of the available speed-up compared to run using only the CPU.
1064 Here, the GPU acts as an accelerator that can effectively parallelize
1065 this problem and thus reduce the calculation time.
1066
1067 .. _gmx-gpu-pme:
1068
1069 GPU accelerated calculation of PME
1070 ..................................
1071
1072 .. TODO again, extend this and add some actual useful information concerning performance etc...
1073
1074 |Gromacs| now allows the offloading of the PME calculation
1075 to the GPU, to further reduce the load on the CPU and improve usage overlap between
1076 CPU and GPU. Here, the solving of PME will be performed in addition to the calculation
1077 of the short range interactions on the same GPU as the short range interactions.
1078
1079 .. _gmx-pme-gpu-limitations:
1080
1081 Known limitations
1082 .................
1083
1084 **Please note again the limitations outlined below!**
1085
1086 - Only a PME order of 4 is supported on GPUs.
1087
1088 - PME will run on a GPU only when exactly one rank has a
1089   PME task, ie. decompositions with multiple ranks doing PME are not supported.
1090
1091 - Only single precision is supported.
1092
1093 - Free energy calculations where charges are perturbed are not supported,
1094   because only single PME grids can be calculated.
1095
1096 - Only dynamical integrators are supported (ie. leap-frog, Velocity Verlet,
1097   stochastic dynamics)
1098
1099 - LJ PME is not supported on GPUs.
1100
1101 .. _gmx-gpu-bonded:
1102
1103 GPU accelerated calculation of bonded interactions (CUDA only)
1104 ..............................................................
1105
1106 .. TODO again, extend this and add some actual useful information concerning performance etc...
1107
1108 |Gromacs| now allows the offloading of the bonded part of the PP
1109 workload to a CUDA-compatible GPU. This is treated as part of the PP
1110 work, and requires that the short-ranged non-bonded task also runs on
1111 a GPU. Typically, there is a performance advantage to offloading
1112 bonded interactions in particular when the amount of CPU resources per GPU
1113 is relatively little (either because the CPU is weak or there are few CPU
1114 cores assigned to a GPU in a run) or when there are other computations on the CPU.
1115 A typical case for the latter is free-energy calculations.
1116
1117 .. _gmx-gpu-update:
1118
1119 GPU accelerated calculation of constraints and coordinate update (CUDA only)
1120 ............................................................................
1121
1122 .. TODO again, extend this and add some actual useful information concerning performance etc...
1123
1124 |Gromacs| makes it possible to also perform the coordinate update and (if requested)
1125 constraint calculation on a CUDA-compatible GPU. This allows executing all
1126 (supported) computation of a simulation step on the GPU. 
1127 This feature is supported in single domain runs (unless using the experimental
1128 GPU domain decomposition feature), and needs to be explicitly requested by the user. 
1129 This is a new parallelization mode where all force and coordinate
1130 data can be "GPU resident" for a number of steps, typically between neighbor searching steps.
1131 This has the benefit that there is less coupling between CPU host and GPU and
1132 on typical MD steps data does not need to be transferred between CPU and GPU.
1133 In this scheme it is however still possible for part of the computation to be 
1134 executed on the CPU concurrently with GPU calculation.
1135 This helps supporting the broad range of |Gromacs| features not all of which are 
1136 ported to GPUs. At the same time, it also allows improving performance by making 
1137 use of the otherwise mostly idle CPU. It can often be advantageous to move the bonded 
1138 or PME calculation back to the CPU, but the details of this will depending on the
1139 relative performance if the CPU cores paired in a simulation with a GPU.
1140
1141 It is possible to change the default behaviour by setting the
1142 ``GMX_FORCE_UPDATE_DEFAULT_GPU`` environment variable to a non-zero value. In this
1143 case simulations will try to run all parts by default on the GPU, and will only fall
1144 back to the CPU based calculation if the simulation is not compatible.
1145
1146 Using this parallelization mode is typically advantageous in cases where a fast GPU is
1147 used with a weak CPU, in particular if there is only single simulation assigned to a GPU.
1148 However, in typical throughput cases where multiple runs are assigned to each GPU,
1149 offloading everything, especially without moving back some of the work to the CPU
1150 can perform worse than the parallelization mode where only force computation is offloaded.
1151
1152
1153 Assigning tasks to GPUs
1154 .......................
1155
1156 Depending on which tasks should be performed on which hardware, different kinds of
1157 calculations can be combined on the same or different GPUs, according to the information
1158 provided for running :ref:`mdrun <gmx mdrun>`.
1159
1160 It is possible to assign the calculation of the different computational tasks to the same GPU, meaning
1161 that they will share the computational resources on the same device, or to different processing units
1162 that will each perform one task each.
1163
1164 One overview over the possible task assignments is given below:
1165
1166 |Gromacs| version 2018:
1167
1168   Two different types of assignable GPU accelerated tasks are available, NB and PME.
1169   Each PP rank has a NB task that can be offloaded to a GPU.
1170   If there is only one rank with a PME task (including if that rank is a
1171   PME-only rank), then that task can be offloaded to a GPU. Such a PME
1172   task can run wholly on the GPU, or have its latter stages run only on the CPU.
1173
1174   Limitations are that PME on GPU does not support PME domain decomposition,
1175   so that only one PME task can be offloaded to a single GPU
1176   assigned to a separate PME rank, while NB can be decomposed and offloaded to multiple GPUs.
1177
1178 |Gromacs| version 2019:
1179
1180   No new assignable GPU tasks are available, but any bonded interactions
1181   may run on the same GPU as the short-ranged interactions for a PP task.
1182   This can be influenced with the ``-bonded`` flag.
1183
1184 Performance considerations for GPU tasks
1185 ........................................
1186
1187 #) The performance balance depends on the speed and number of CPU cores you
1188    have vs the speed and number of GPUs you have.
1189
1190 #) With slow/old GPUs and/or fast/modern CPUs with many
1191    cores, it might make more sense to let the CPU do PME calculation,
1192    with the GPUs focused on the calculation of the NB.
1193
1194 #) With fast/modern GPUs and/or slow/old CPUs with few cores,
1195    it generally helps to have the GPU do PME.
1196
1197 #) Offloading bonded work to a GPU will often not improve simulation performance
1198    as efficient CPU-based kernels can complete the bonded computation
1199    before the GPU is done with other offloaded work. Therefore,
1200    `gmx mdrun` will default to no bonded offload when PME is offloaded.
1201    Typical cases where performance can be improvement with bonded offload are:
1202    with significant bonded work (e.g. pure lipid or mostly polymer systems with little solvent),
1203    with very few and/or slow CPU cores per GPU, or when the CPU does
1204    other computation (e.g. PME, free energy).
1205
1206 #) It *is* possible to use multiple GPUs with PME offload
1207    by letting e.g.
1208    3 MPI ranks use one GPU each for short-range interactions,
1209    while a fourth rank does the PME on its GPU.
1210
1211 #) The only way to know for sure what alternative is best for
1212    your machine is to test and check performance.
1213
1214 .. TODO: we need to be more concrete here, i.e. what machine/software aspects to take into consideration, when will default run mode be using PME-GPU and when will it not, when/how should the user reason about testing different settings than the default.
1215
1216 .. TODO someone who knows about the mixed mode should comment further.
1217
1218 Reducing overheads in GPU accelerated runs
1219 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1220
1221 In order for CPU cores and GPU(s) to execute concurrently, tasks are
1222 launched and executed asynchronously on the GPU(s) while the CPU cores
1223 execute non-offloaded force computation (like long-range PME electrostatics).
1224 Asynchronous task launches are handled by GPU device driver and
1225 require CPU involvement. Therefore, the work of scheduling
1226 GPU tasks will incur an overhead that can in some cases significantly
1227 delay or interfere with the CPU execution.
1228
1229 Delays in CPU execution are caused by the latency of launching GPU tasks,
1230 an overhead that can become significant as simulation ns/day increases
1231 (i.e. with shorter wall-time per step).
1232 The overhead is measured by :ref:`gmx mdrun` and reported in the performance
1233 summary section of the log file ("Launch GPU ops" row).
1234 A few percent of runtime spent in this category is normal,
1235 but in fast-iterating and multi-GPU parallel runs 10% or larger overheads can be observed.
1236 In general, a user can do little to avoid such overheads, but there
1237 are a few cases where tweaks can give performance benefits.
1238 In single-rank runs timing of GPU tasks is by default enabled and,
1239 while in most cases its impact is small, in fast runs performance can be affected.
1240 The performance impact will be most significant on NVIDIA GPUs with CUDA,
1241 less on AMD and Intel with OpenCL.
1242 In these cases, when more than a few percent of "Launch GPU ops" time is observed,
1243 it is recommended to turn off timing by setting the ``GMX_DISABLE_GPU_TIMING``
1244 environment variable.
1245 In parallel runs with many ranks sharing a GPU,
1246 launch overheads can also be reduced by starting fewer thread-MPI
1247 or MPI ranks per GPU; e.g. most often one rank per thread or core is not optimal.
1248
1249 The second type of overhead, interference of the GPU driver with CPU computation,
1250 is caused by the scheduling and coordination of GPU tasks.
1251 A separate GPU driver thread can require CPU resources
1252 which may clash with the concurrently running non-offloaded tasks,
1253 potentially degrading the performance of PME or bonded force computation.
1254 This effect is most pronounced when using AMD GPUs with OpenCL with
1255 older driver releases (e.g. fglrx 12.15).
1256 To minimize the overhead it is recommended to
1257 leave a CPU hardware thread unused when launching :ref:`gmx mdrun`,
1258 especially on CPUs with high core counts and/or HyperThreading enabled.
1259 E.g. on a machine with a 4-core CPU and eight threads (via HyperThreading) and an AMD GPU,
1260 try ``gmx mdrun -ntomp 7 -pin on``.
1261 This will leave free CPU resources for the GPU task scheduling
1262 reducing interference with CPU computation.
1263 Note that assigning fewer resources to :ref:`gmx mdrun` CPU computation
1264 involves a tradeoff which may outweigh the benefits of reduced GPU driver overhead,
1265 in particular without HyperThreading and with few CPU cores.
1266
1267 .. TODO In future patch: any tips not covered above
1268
1269 Running the OpenCL version of mdrun
1270 -----------------------------------
1271
1272 Currently supported hardware architectures are:
1273 - GCN-based AMD GPUs;
1274 - NVIDIA GPUs (with at least OpenCL 1.2 support);
1275 - Intel iGPUs.
1276 Make sure that you have the latest drivers installed. For AMD GPUs,
1277 the compute-oriented `ROCm <https://rocm.github.io/>`_ stack is recommended;
1278 alternatively, the AMDGPU-PRO stack is also compatible; using the outdated
1279 and unsupported ``fglrx`` proprietary driver and runtime is not recommended (but
1280 for certain older hardware that may be the only way to obtain support).
1281 In addition Mesa version 17.0 or newer with LLVM 4.0 or newer is also supported.
1282 For NVIDIA GPUs, using the proprietary driver is
1283 required as the open source nouveau driver (available in Mesa) does not
1284 provide the OpenCL support.
1285 For Intel integrated GPUs, the `Neo driver <https://github.com/intel/compute-runtime/releases>`_ is
1286 recommended.
1287 TODO: add more Intel driver recommendations
1288 The minimum OpenCL version required is |REQUIRED_OPENCL_MIN_VERSION|. See
1289 also the :ref:`known limitations <opencl-known-limitations>`.
1290
1291 Devices from the AMD GCN architectures (all series) are compatible
1292 and regularly tested; NVIDIA Kepler and later (compute capability 3.0)
1293 are known to work, but before doing production runs always make sure that the |Gromacs| tests
1294 pass successfully on the hardware.
1295
1296 The OpenCL GPU kernels are compiled at run time. Hence,
1297 building the OpenCL program can take a few seconds, introducing a slight
1298 delay in the :ref:`gmx mdrun` startup. This is not normally a
1299 problem for long production MD, but you might prefer to do some kinds
1300 of work, e.g. that runs very few steps, on just the CPU (e.g. see ``-nb`` above).
1301
1302 The same ``-gpu_id`` option (or ``GMX_GPU_ID`` environment variable)
1303 used to select CUDA devices, or to define a mapping of GPUs to PP
1304 ranks, is used for OpenCL devices.
1305
1306 Some other :ref:`OpenCL management <opencl-management>` environment
1307 variables may be of interest to developers.
1308
1309 .. _opencl-known-limitations:
1310
1311 Known limitations of the OpenCL support
1312 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1313
1314 Limitations in the current OpenCL support of interest to |Gromacs| users:
1315
1316 - Intel integrated GPUs are supported. Intel CPUs and Xeon Phi are not supported.
1317 - Due to blocking behavior of some asynchronous task enqueuing functions
1318   in the NVIDIA OpenCL runtime, with the affected driver versions there is
1319   almost no performance gain when using NVIDIA GPUs.
1320   The issue affects NVIDIA driver versions up to 349 series, but it
1321   known to be fixed 352 and later driver releases.
1322 - On NVIDIA GPUs the OpenCL kernels achieve much lower performance
1323   than the equivalent CUDA kernels due to limitations of the NVIDIA OpenCL
1324   compiler.
1325 - On the NVIDIA Volta an Turing architectures the OpenCL code is known to produce
1326   incorrect results with driver version up to 440.x (most likely due to compiler issues).
1327   Runs typically fail on these architectures.
1328
1329 Limitations of interest to |Gromacs| developers:
1330
1331 - The current implementation requires a minimum execution with of 16; kernels
1332   compiled for narrower execution width (be it due to hardware requirements or
1333   compiler choice) will not be suitable and will trigger a runtime error.
1334
1335 Performance checklist
1336 ---------------------
1337
1338 There are many different aspects that affect the performance of simulations in
1339 |Gromacs|. Most simulations require a lot of computational resources, therefore
1340 it can be worthwhile to optimize the use of those resources. Several issues
1341 mentioned in the list below could lead to a performance difference of a factor
1342 of 2. So it can be useful go through the checklist.
1343
1344 |Gromacs| configuration
1345 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1346
1347 * Don't use double precision unless you're absolute sure you need it.
1348 * Compile the FFTW library (yourself) with the correct flags on x86 (in most
1349   cases, the correct flags are automatically configured).
1350 * On x86, use gcc or icc as the compiler (not pgi or the Cray compiler).
1351 * On POWER, use gcc instead of IBM's xlc.
1352 * Use a new compiler version, especially for gcc (e.g. from version 5 to 6
1353   the performance of the compiled code improved a lot).
1354 * MPI library: OpenMPI usually has good performance and causes little trouble.
1355 * Make sure your compiler supports OpenMP (some versions of Clang don't).
1356 * If you have GPUs that support either CUDA or OpenCL, use them.
1357
1358   * Configure with ``-DGMX_GPU=ON`` (add ``-DGMX_USE_OPENCL=ON`` for OpenCL).
1359   * For CUDA, use the newest CUDA available for your GPU to take advantage of the
1360     latest performance enhancements.
1361   * Use a recent GPU driver.
1362   * Make sure you use an :ref:`gmx mdrun` with ``GMX_SIMD`` appropriate for the CPU
1363     architecture; the log file will contain a warning note if suboptimal setting is used.
1364     However, prefer ``AVX2` over ``AVX512`` in GPU or highly parallel MPI runs (for more
1365     information see the :ref:`intra-core parallelization information <intra-core-parallelization>`).
1366   * If compiling on a cluster head node, make sure that ``GMX_SIMD``
1367     is appropriate for the compute nodes.
1368
1369 Run setup
1370 ^^^^^^^^^
1371
1372 * For an approximately spherical solute, use a rhombic dodecahedron unit cell.
1373 * When using a time-step of 2 fs, use :mdp-value:`constraints=h-bonds`
1374   (and not :mdp-value:`constraints=all-bonds`), since this is faster, especially with GPUs,
1375   and most force fields have been parametrized with only bonds involving
1376   hydrogens constrained.
1377 * You can increase the time-step to 4 or 5 fs when using virtual interaction
1378   sites (``gmx pdb2gmx -vsite h``).
1379 * For massively parallel runs with PME, you might need to try different numbers
1380   of PME ranks (``gmx mdrun -npme ???``) to achieve best performance;
1381   :ref:`gmx tune_pme` can help automate this search.
1382 * For massively parallel runs (also ``gmx mdrun -multidir``), or with a slow
1383   network, global communication can become a bottleneck and you can reduce it
1384   by choosing larger periods for algorithms such as temperature and
1385   pressure coupling).
1386
1387 Checking and improving performance
1388 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1389
1390 * Look at the end of the ``md.log`` file to see the performance and the cycle
1391   counters and wall-clock time for different parts of the MD calculation. The
1392   PP/PME load ratio is also printed, with a warning when a lot of performance is
1393   lost due to imbalance.
1394 * Adjust the number of PME ranks and/or the cut-off and PME grid-spacing when
1395   there is a large PP/PME imbalance. Note that even with a small reported
1396   imbalance, the automated PME-tuning might have reduced the initial imbalance.
1397   You could still gain performance by changing the mdp parameters or increasing
1398   the number of PME ranks.
1399 * If the neighbor searching takes a lot of time, increase nstlist. If a Verlet
1400   buffer tolerance is used, this is done automatically by :ref:`gmx mdrun`
1401   and the pair-list buffer is increased to keep the energy drift constant.
1402
1403   * If ``Comm. energies`` takes a lot of time (a note will be printed in the log
1404     file), increase nstcalcenergy.
1405   * If all communication takes a lot of time, you might be running on too many
1406     cores, or you could try running combined MPI/OpenMP parallelization with 2
1407     or 4 OpenMP threads per MPI process.