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