Update GPU update restrictions
[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     Update and constraints on a GPU is currently not supported
533     with pressure coupling, free-energy, domain decomposition, virtual sites,
534     Ewald surface correction, replica exchange, the pull code,
535     orientation restraints and computational electrophysiology.
536
537 ``-gpu_id``
538     A string that specifies the ID numbers of the GPUs that
539     are available to be used by ranks on each node. For example,
540     "12" specifies that the GPUs with IDs 1 and 2 (as reported
541     by the GPU runtime) can be used by :ref:`mdrun <gmx mdrun>`. This is useful
542     when sharing a node with other computations, or if a GPU that
543     is dedicated to a display should not be used by |Gromacs|.
544     Without specifying this parameter, :ref:`mdrun <gmx mdrun>`
545     will utilize all GPUs. When many GPUs are
546     present, a comma may be used to separate the IDs, so
547     "12,13" would make GPUs 12 and 13 available to :ref:`mdrun <gmx mdrun>`.
548     It could be necessary to use different GPUs on different
549     nodes of a simulation, in which case the environment
550     variable ``GMX_GPU_ID`` can be set differently for the ranks
551     on different nodes to achieve that result.
552     In |Gromacs| versions preceding 2018 this parameter used to
553     specify both GPU availability and GPU task assignment.
554     The latter is now done with the ``-gputasks`` parameter.
555
556 ``-gputasks``
557     A string that specifies the ID numbers of the GPUs to be
558     used by corresponding GPU tasks on this node. For example,
559     "0011" specifies that the first two GPU tasks will use GPU 0,
560     and the other two use GPU 1. When using this option, the
561     number of ranks must be known to :ref:`mdrun <gmx mdrun>`, as well as where
562     tasks of different types should be run, such as by using
563     ``-nb gpu`` - only the tasks which are set to run on GPUs
564     count for parsing the mapping. See `Assigning tasks to GPUs`_
565     for more details. Note that ``-gpu_id`` and
566     ``-gputasks`` can not be used at the same time!
567     In |Gromacs| versions preceding 2018 only a single type
568     of GPU task ("PP") could be run on any rank. Now that there is some
569     support for running PME on GPUs, the number of GPU tasks
570     (and the number of GPU IDs expected in the ``-gputasks`` string)
571     can actually be 3 for a single-rank simulation. The IDs
572     still have to be the same in this case, as using multiple GPUs
573     per single rank is not yet implemented.
574     The order of GPU tasks per rank in the string is PP first,
575     PME second. The order of ranks with different kinds of GPU tasks
576     is the same by default, but can be influenced with the ``-ddorder``
577     option and gets quite complex when using multiple nodes.
578     Note that the bonded interactions for a PP task may
579     run on the same GPU as the short-ranged work, or on the CPU,
580     which can be controlled with the ``-bonded`` flag.
581     The GPU task assignment (whether manually set, or automated),
582     will be reported in the :ref:`mdrun <gmx mdrun>` output on
583     the first physical node of the simulation. For example:
584
585     ::
586
587       gmx mdrun -gputasks 0001 -nb gpu -pme gpu -npme 1 -ntmpi 4
588
589     will produce the following output in the log file/terminal:
590
591     ::
592
593       On host tcbl14 2 GPUs selected for this run.
594       Mapping of GPU IDs to the 4 GPU tasks in the 4 ranks on this node:
595       PP:0,PP:0,PP:0,PME:1
596
597     In this case, 3 ranks are set by user to compute PP work
598     on GPU 0, and 1 rank to compute PME on GPU 1.
599     The detailed indexing of the GPUs is also reported in the log file.
600
601     For more information about GPU tasks, please refer to
602     :ref:`Types of GPU tasks<gmx-gpu-tasks>`.
603
604 ``-pmefft``
605     Allows choosing whether to execute the 3D FFT computation on a CPU or GPU.
606     Can be set to "auto", "cpu", "gpu.".
607     When PME is offloaded to a GPU ``-pmefft gpu`` is the default,
608     and the entire PME calculation is executed on the GPU. However,
609     in some cases, e.g. with a relatively slow or older generation GPU
610     combined with fast CPU cores in a run, moving some work off of the GPU
611     back to the CPU by computing FFTs on the CPU can improve performance.
612
613 .. _gmx-mdrun-single-node:
614
615 Examples for :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on one node
616 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
617
618 ::
619
620     gmx mdrun
621
622 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using all the available resources. :ref:`mdrun <gmx mdrun>`
623 will automatically choose a fairly efficient division
624 into thread-MPI ranks, OpenMP threads and assign work
625 to compatible GPUs. Details will vary with hardware
626 and the kind of simulation being run.
627
628 ::
629
630     gmx mdrun -nt 8
631
632 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using 8 threads, which might be thread-MPI
633 or OpenMP threads depending on hardware and the kind
634 of simulation being run.
635
636 ::
637
638     gmx mdrun -ntmpi 2 -ntomp 4
639
640 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using eight total threads, with two thread-MPI
641 ranks and four OpenMP threads per rank. You should only use
642 these options when seeking optimal performance, and
643 must take care that the ranks you create can have
644 all of their OpenMP threads run on the same socket.
645 The number of ranks should be a multiple of the number of
646 sockets, and the number of cores per node should be
647 a multiple of the number of threads per rank.
648
649 ::
650
651     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme cpu
652
653 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using four thread-MPI ranks. The CPU
654 cores available will be split evenly between the ranks using OpenMP
655 threads. The long-range component of the forces are calculated on
656 CPUs. This may be optimal on hardware where the CPUs are relatively
657 powerful compared to the GPUs. The bonded part of force calculation
658 will automatically be assigned to the GPU, since the long-range
659 component of the forces are calculated on CPU(s).
660
661 ::
662
663     gmx mdrun -ntmpi 1 -nb gpu -pme gpu -bonded gpu
664
665 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using a single thread-MPI rank that
666 will use all available CPU cores. All interaction types that can run
667 on a GPU will do so. This may be optimal on hardware where the CPUs
668 are extremely weak compared to the GPUs.
669
670 ::
671
672     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme cpu -gputasks 0011
673
674 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using four thread-MPI ranks, and maps them
675 to GPUs with IDs 0 and 1. The CPU cores available will be split evenly between
676 the ranks using OpenMP threads, with the first two ranks offloading short-range
677 nonbonded force calculations to GPU 0, and the last two ranks offloading to GPU 1.
678 The long-range component of the forces are calculated on CPUs. This may be optimal
679 on hardware where the CPUs are relatively powerful compared to the GPUs.
680
681 ::
682
683     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme gpu -npme 1 -gputasks 0001
684
685 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using four thread-MPI ranks, one of which is
686 dedicated to the long-range PME calculation. The first 3 threads offload their
687 short-range non-bonded calculations to the GPU with ID 0, the 4th (PME) thread
688 offloads its calculations to the GPU with ID 1.
689
690 ::
691
692     gmx mdrun -ntmpi 4 -nb gpu -pme gpu -npme 1 -gputasks 0011
693
694 Similar to the above example, with 3 ranks assigned to calculating short-range
695 non-bonded forces, and one rank assigned to calculate the long-range forces.
696 In this case, 2 of the 3 short-range ranks offload their nonbonded force
697 calculations to GPU 0. The GPU with ID 1 calculates the short-ranged forces of
698 the 3rd short-range rank, as well as the long-range forces of the PME-dedicated
699 rank. Whether this or the above example is optimal will depend on the capabilities
700 of the individual GPUs and the system composition.
701
702 ::
703
704     gmx mdrun -gpu_id 12
705
706 Starts :ref:`mdrun <gmx mdrun>` using GPUs with IDs 1 and 2 (e.g. because
707 GPU 0 is dedicated to running a display). This requires
708 two thread-MPI ranks, and will split the available
709 CPU cores between them using OpenMP threads.
710
711 ::
712
713     gmx mdrun -nt 6 -pin on -pinoffset 0 -pinstride 1
714     gmx mdrun -nt 6 -pin on -pinoffset 6 -pinstride 1
715
716 Starts two :ref:`mdrun <gmx mdrun>` processes, each with six total threads
717 arranged so that the processes affect each other as little as possible by
718 being assigned to disjoint sets of physical cores.
719 Threads will have their affinities set to particular
720 logical cores, beginning from the first and 7th logical cores, respectively. The
721 above would work well on an Intel CPU with six physical cores and
722 hyper-threading enabled. Use this kind of setup only
723 if restricting :ref:`mdrun <gmx mdrun>` to a subset of cores to share a
724 node with other processes.
725 A word of caution: The mapping of logical CPUs/cores to physical
726 cores may differ between operating systems. On Linux,
727 ``cat /proc/cpuinfo`` can be examined to determine this mapping.
728
729 ::
730
731     mpirun -np 2 gmx_mpi mdrun
732
733 When using an :ref:`gmx mdrun` compiled with external MPI,
734 this will start two ranks and as many OpenMP threads
735 as the hardware and MPI setup will permit. If the
736 MPI setup is restricted to one node, then the resulting
737 :ref:`gmx mdrun` will be local to that node.
738
739 .. _gmx-mdrun-multiple-nodes:
740
741 Running :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on more than one node
742 ------------------------------------------------------
743
744 This requires configuring |Gromacs| to build with an external MPI
745 library. By default, this :ref:`mdrun <gmx mdrun>` executable is run with
746 :ref:`mdrun_mpi`. All of the considerations for running single-node
747 :ref:`mdrun <gmx mdrun>` still apply, except that ``-ntmpi`` and ``-nt`` cause a fatal
748 error, and instead the number of ranks is controlled by the
749 MPI environment.
750 Settings such as ``-npme`` are much more important when
751 using multiple nodes. Configuring the MPI environment to
752 produce one rank per core is generally good until one
753 approaches the strong-scaling limit. At that point, using
754 OpenMP to spread the work of an MPI rank over more than one
755 core is needed to continue to improve absolute performance.
756 The location of the scaling limit depends on the processor,
757 presence of GPUs, network, and simulation algorithm, but
758 it is worth measuring at around ~200 particles/core if you
759 need maximum throughput.
760
761 There are further command-line parameters that are relevant in these
762 cases.
763
764 ``-tunepme``
765     Defaults to "on." If "on," a simulation will
766     optimize various aspects of the PME and DD algorithms, shifting
767     load between ranks and/or GPUs to maximize throughput. Some
768     :ref:`mdrun <gmx mdrun>` features are not compatible with this, and these ignore
769     this option.
770
771 ``-dlb``
772     Can be set to "auto," "no," or "yes."
773     Defaults to "auto." Doing Dynamic Load Balancing between MPI ranks
774     is needed to maximize performance. This is particularly important
775     for molecular systems with heterogeneous particle or interaction
776     density. When a certain threshold for performance loss is
777     exceeded, DLB activates and shifts particles between ranks to improve
778     performance. If available, using ``-bonded gpu`` is expected
779     to improve the ability of DLB to maximize performance.
780
781 During the simulation :ref:`gmx mdrun` must communicate between all
782 PP ranks to compute quantities such as kinetic energy for log file
783 reporting, or perhaps temperature coupling. By default, this happens
784 whenever necessary to honor several :ref:`mdp options <mdp-general>`,
785 so that the period between communication phases is the least common
786 denominator of :mdp:`nstlist`, :mdp:`nstcalcenergy`,
787 :mdp:`nsttcouple`, and :mdp:`nstpcouple`.
788
789 Note that ``-tunepme`` has more effect when there is more than one
790 :term:`node`, because the cost of communication for the PP and PME
791 ranks differs. It still shifts load between PP and PME ranks, but does
792 not change the number of separate PME ranks in use.
793
794 Note also that ``-dlb`` and ``-tunepme`` can interfere with each other, so
795 if you experience performance variation that could result from this,
796 you may wish to tune PME separately, and run the result with ``mdrun
797 -notunepme -dlb yes``.
798
799 The :ref:`gmx tune_pme` utility is available to search a wider
800 range of parameter space, including making safe
801 modifications to the :ref:`tpr` file, and varying ``-npme``.
802 It is only aware of the number of ranks created by
803 the MPI environment, and does not explicitly manage
804 any aspect of OpenMP during the optimization.
805
806 Examples for :ref:`mdrun <gmx mdrun>` on more than one node
807 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
808
809 The examples and explanations for for single-node :ref:`mdrun <gmx mdrun>` are
810 still relevant, but ``-ntmpi`` is no longer the way
811 to choose the number of MPI ranks.
812
813 ::
814
815     mpirun -np 16 gmx_mpi mdrun
816
817 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 16 ranks, which are mapped to
818 the hardware by the MPI library, e.g. as specified
819 in an MPI hostfile. The available cores will be
820 automatically split among ranks using OpenMP threads,
821 depending on the hardware and any environment settings
822 such as ``OMP_NUM_THREADS``.
823
824 ::
825
826     mpirun -np 16 gmx_mpi mdrun -npme 5
827
828 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 16 ranks, as above, and
829 require that 5 of them are dedicated to the PME
830 component.
831
832 ::
833
834     mpirun -np 11 gmx_mpi mdrun -ntomp 2 -npme 6 -ntomp_pme 1
835
836 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 11 ranks, as above, and
837 require that six of them are dedicated to the PME
838 component with one OpenMP thread each. The remaining
839 five do the PP component, with two OpenMP threads
840 each.
841
842 ::
843
844     mpirun -np 4 gmx_mpi mdrun -ntomp 6 -nb gpu -gputasks 00
845
846 Starts :ref:`mdrun_mpi` on a machine with two nodes, using
847 four total ranks, each rank with six OpenMP threads,
848 and both ranks on a node sharing GPU with ID 0.
849
850 ::
851
852     mpirun -np 8 gmx_mpi mdrun -ntomp 3 -gputasks 0000
853
854 Using a same/similar hardware as above,
855 starts :ref:`mdrun_mpi` on a machine with two nodes, using
856 eight total ranks, each rank with three OpenMP threads,
857 and all four ranks on a node sharing GPU with ID 0.
858 This may or may not be faster than the previous setup
859 on the same hardware.
860
861 ::
862
863     mpirun -np 20 gmx_mpi mdrun -ntomp 4 -gputasks 00
864
865 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 20 ranks, and assigns the CPU cores evenly
866 across ranks each to one OpenMP thread. This setup is likely to be
867 suitable when there are ten nodes, each with one GPU, and each node
868 has two sockets each of four cores.
869
870 ::
871
872     mpirun -np 10 gmx_mpi mdrun -gpu_id 1
873
874 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 20 ranks, and assigns the CPU cores evenly
875 across ranks each to one OpenMP thread. This setup is likely to be
876 suitable when there are ten nodes, each with two GPUs, but another
877 job on each node is using GPU 0. The job scheduler should set the
878 affinity of threads of both jobs to their allocated cores, or the
879 performance of :ref:`mdrun <gmx mdrun>` will suffer greatly.
880
881 ::
882
883     mpirun -np 20 gmx_mpi mdrun -gpu_id 01
884
885 Starts :ref:`mdrun_mpi` with 20 ranks. This setup is likely
886 to be suitable when there are ten nodes, each with two
887 GPUs, but there is no need to specify ``-gpu_id`` for the
888 normal case where all the GPUs on the node are available
889 for use.
890
891 Approaching the scaling limit
892 -----------------------------
893
894 There are several aspects of running a |Gromacs| simulation that are important as the number
895 of atoms per core approaches the current scaling limit of ~100 atoms/core.
896
897 One of these is that the use of ``constraints = all-bonds``  with P-LINCS
898 sets an artificial minimum on the size of domains. You should reconsider the use
899 of constraints to all bonds (and bear in mind possible consequences on the safe maximum for dt),
900 or change lincs_order and lincs_iter suitably.
901
902 Finding out how to run :ref:`mdrun <gmx mdrun>` better
903 ------------------------------------------------------
904
905 The Wallcycle module is used for runtime performance measurement of :ref:`gmx mdrun`.
906 At the end of the log file of each run, the "Real cycle and time accounting" section
907 provides a table with runtime statistics for different parts of the :ref:`gmx mdrun` code
908 in rows of the table.
909 The table contains colums indicating the number of ranks and threads that
910 executed the respective part of the run, wall-time and cycle
911 count aggregates (across all threads and ranks) averaged over the entire run.
912 The last column also shows what precentage of the total runtime each row represents.
913 Note that the :ref:`gmx mdrun` timer resetting functionalities (`-resethway` and `-resetstep`)
914 reset the performance counters and therefore are useful to avoid startup overhead and
915 performance instability (e.g. due to load balancing) at the beginning of the run.
916
917 The performance counters are:
918
919 * Particle-particle during Particle mesh Ewald
920 * Domain decomposition
921 * Domain decomposition communication load
922 * Domain decomposition communication bounds
923 * Virtual site constraints
924 * Send X to Particle mesh Ewald
925 * Neighbor search
926 * Launch GPU operations
927 * Communication of coordinates
928 * Force
929 * Waiting + Communication of force
930 * Particle mesh Ewald
931 * PME redist. X/F
932 * PME spread
933 * PME gather
934 * PME 3D-FFT
935 * PME 3D-FFT Communication
936 * PME solve Lennard-Jones
937 * PME solve LJ
938 * PME solve Elec
939 * PME wait for particle-particle
940 * Wait + Receive PME force
941 * Wait GPU nonlocal
942 * Wait GPU local
943 * Wait PME GPU spread
944 * Wait PME GPU gather
945 * Reduce PME GPU Force
946 * Non-bonded position/force buffer operations
947 * Virtual site spread
948 * COM pull force
949 * AWH (accelerated weight histogram method)
950 * Write trajectory
951 * Update
952 * Constraints
953 * Communication of energies
954 * Enforced rotation
955 * Add rotational forces
956 * Position swapping
957 * Interactive MD
958
959 As performance data is collected for every run, they are essential to assessing
960 and tuning the performance of :ref:`gmx mdrun` performance. Therefore, they benefit
961 both code developers as well as users of the program.
962 The counters are an average of the time/cycles different parts of the simulation take,
963 hence can not directly reveal fluctuations during a single run (although comparisons across
964 multiple runs are still very useful).
965
966 Counters will appear in an MD log file only if the related parts of the code were
967 executed during the :ref:`gmx mdrun` run. There is also a special counter called "Rest" which
968 indicates the amount of time not accounted for by any of the counters above. Therefore,
969 a significant amount "Rest" time (more than a few percent) will often be an indication of
970 parallelization inefficiency (e.g. serial code) and it is recommended to be reported to the
971 developers.
972
973 An additional set of subcounters can offer more fine-grained inspection of performance. They are:
974
975 * Domain decomposition redistribution
976 * DD neighbor search grid + sort
977 * DD setup communication
978 * DD make topology
979 * DD make constraints
980 * DD topology other
981 * Neighbor search grid local
982 * NS grid non-local
983 * NS search local
984 * NS search non-local
985 * Bonded force
986 * Bonded-FEP force
987 * Restraints force
988 * Listed buffer operations
989 * Nonbonded pruning
990 * Nonbonded force
991 * Launch non-bonded GPU tasks
992 * Launch PME GPU tasks
993 * Ewald force correction
994 * Non-bonded position buffer operations
995 * Non-bonded force buffer operations
996
997 Subcounters are geared toward developers and have to be enabled during compilation. See
998 :doc:`/dev-manual/build-system` for more information.
999
1000 .. TODO In future patch:
1001    - red flags in log files, how to interpret wallcycle output
1002    - hints to devs how to extend wallcycles
1003
1004 .. _gmx-mdrun-on-gpu:
1005
1006 Running :ref:`mdrun <gmx mdrun>` with GPUs
1007 ------------------------------------------
1008
1009 .. _gmx-gpu-tasks:
1010
1011 Types of GPU tasks
1012 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1013
1014 To better understand the later sections on different GPU use cases for
1015 calculation of :ref:`short range<gmx-gpu-pp>` and :ref:`PME <gmx-gpu-pme>`,
1016 we first introduce the concept of different GPU tasks. When thinking about
1017 running a simulation, several different kinds of interactions between the atoms
1018 have to be calculated (for more information please refer to the reference manual).
1019 The calculation can thus be split into several distinct parts that are largely independent
1020 of each other (hence can be calculated in any order, e.g. sequentially or concurrently),
1021 with the information from each of them combined at the end of
1022 time step to obtain the final forces on each atom and to propagate the system
1023 to the next time point. For a better understanding also please see the section
1024 on :ref:`domain decomposition <gmx-domain-decomp>`.
1025
1026 Of all calculations required for an MD step,
1027 GROMACS aims to optimize performance bottom-up for each step
1028 from the lowest level (SIMD unit, cores, sockets, accelerators, etc.).
1029 Therefore many of the individual computation units are
1030 highly tuned for the lowest level of hardware parallelism: the SIMD units.
1031 Additionally, with GPU accelerators used as *co-processors*, some of the work
1032 can be *offloaded*, that is calculated simultaneously/concurrently with the CPU
1033 on the accelerator device, with the result being communicated to the CPU.
1034 Right now, |Gromacs| supports GPU accelerator offload of two tasks:
1035 the short-range :ref:`nonbonded interactions in real space <gmx-gpu-pp>`,
1036 and :ref:`PME <gmx-gpu-pme>`.
1037
1038 **Please note that the solving of PME on GPU is still only the initial
1039 version supporting this behaviour, and comes with a set of limitations
1040 outlined further below.**
1041
1042 Right now, we generally support short-range nonbonded offload with and
1043 without dynamic pruning on a wide range of GPU accelerators
1044 (both NVIDIA and AMD). This is compatible with the grand majority of
1045 the features and parallelization modes and can be used to scale to large machines.
1046
1047 Simultaneously offloading both short-range nonbonded and long-range
1048 PME work to GPU accelerators is a new feature that that has some
1049 restrictions in terms of feature and parallelization
1050 compatibility (please see the :ref:`section below <gmx-pme-gpu-limitations>`).
1051
1052 .. _gmx-gpu-pp:
1053
1054 GPU computation of short range nonbonded interactions
1055 .....................................................
1056
1057 .. TODO make this more elaborate and include figures
1058
1059 Using the GPU for the short-ranged nonbonded interactions provides
1060 the majority of the available speed-up compared to run using only the CPU.
1061 Here, the GPU acts as an accelerator that can effectively parallelize
1062 this problem and thus reduce the calculation time.
1063
1064 .. _gmx-gpu-pme:
1065
1066 GPU accelerated calculation of PME
1067 ..................................
1068
1069 .. TODO again, extend this and add some actual useful information concerning performance etc...
1070
1071 |Gromacs| now allows the offloading of the PME calculation
1072 to the GPU, to further reduce the load on the CPU and improve usage overlap between
1073 CPU and GPU. Here, the solving of PME will be performed in addition to the calculation
1074 of the short range interactions on the same GPU as the short range interactions.
1075
1076 .. _gmx-pme-gpu-limitations:
1077
1078 Known limitations
1079 .................
1080
1081 **Please note again the limitations outlined below!**
1082
1083 - PME GPU offload is supported on NVIDIA hardware with CUDA and AMD hardware with OpenCL.
1084
1085 - Only a PME order of 4 is supported on GPUs.
1086
1087 - PME will run on a GPU only when exactly one rank has a
1088   PME task, ie. decompositions with multiple ranks doing PME are not supported.
1089
1090 - Only single precision is supported.
1091
1092 - Free energy calculations where charges are perturbed are not supported,
1093   because only single PME grids can be calculated.
1094
1095 - Only dynamical integrators are supported (ie. leap-frog, Velocity Verlet,
1096   stochastic dynamics)
1097
1098 - LJ PME is not supported on GPUs.
1099
1100 GPU accelerated calculation of bonded interactions (CUDA only)
1101 ..............................................................
1102
1103 .. TODO again, extend this and add some actual useful information concerning performance etc...
1104
1105 |Gromacs| now allows the offloading of the bonded part of the PP
1106 workload to a CUDA-compatible GPU. This is treated as part of the PP
1107 work, and requires that the short-ranged non-bonded task also runs on
1108 a GPU. It is an advantage usually only when the CPU is relatively weak
1109 compared with the GPU, perhaps because its workload is too large for
1110 the available cores. This would likely be the case for free-energy
1111 calculations.
1112
1113 Assigning tasks to GPUs
1114 .......................
1115
1116 Depending on which tasks should be performed on which hardware, different kinds of
1117 calculations can be combined on the same or different GPUs, according to the information
1118 provided for running :ref:`mdrun <gmx mdrun>`.
1119
1120 It is possible to assign the calculation of the different computational tasks to the same GPU, meaning
1121 that they will share the computational resources on the same device, or to different processing units
1122 that will each perform one task each.
1123
1124 One overview over the possible task assignments is given below:
1125
1126 |Gromacs| version 2018:
1127
1128   Two different types of assignable GPU accelerated tasks are available, NB and PME.
1129   Each PP rank has a NB task that can be offloaded to a GPU.
1130   If there is only one rank with a PME task (including if that rank is a
1131   PME-only rank), then that task can be offloaded to a GPU. Such a PME
1132   task can run wholly on the GPU, or have its latter stages run only on the CPU.
1133
1134   Limitations are that PME on GPU does not support PME domain decomposition,
1135   so that only one PME task can be offloaded to a single GPU
1136   assigned to a separate PME rank, while NB can be decomposed and offloaded to multiple GPUs.
1137
1138 |Gromacs| version 2019:
1139
1140   No new assignable GPU tasks are available, but any bonded interactions
1141   may run on the same GPU as the short-ranged interactions for a PP task.
1142   This can be influenced with the ``-bonded`` flag.
1143
1144 Performance considerations for GPU tasks
1145 ........................................
1146
1147 #) The performance balance depends on the speed and number of CPU cores you
1148    have vs the speed and number of GPUs you have.
1149
1150 #) With slow/old GPUs and/or fast/modern CPUs with many
1151    cores, it might make more sense to let the CPU do PME calculation,
1152    with the GPUs focused on the calculation of the NB.
1153
1154 #) With fast/modern GPUs and/or slow/old CPUs with few cores,
1155    it generally helps to have the GPU do PME.
1156
1157 #) Offloading bonded work to a GPU will often not improve simulation performance
1158    as efficient CPU-based kernels can complete the bonded computation
1159    before the GPU is done with other offloaded work. Therefore,
1160    `gmx mdrun` will default to no bonded offload when PME is offloaded.
1161    Typical cases where performance can be improvement with bonded offload are:
1162    with significant bonded work (e.g. pure lipid or mostly polymer systems with little solvent),
1163    with very few and/or slow CPU cores per GPU, or when the CPU does
1164    other computation (e.g. PME, free energy).
1165
1166 #) It *is* possible to use multiple GPUs with PME offload
1167    by letting e.g.
1168    3 MPI ranks use one GPU each for short-range interactions,
1169    while a fourth rank does the PME on its GPU.
1170
1171 #) The only way to know for sure what alternative is best for
1172    your machine is to test and check performance.
1173
1174 .. 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.
1175
1176 .. TODO someone who knows about the mixed mode should comment further.
1177
1178 Reducing overheads in GPU accelerated runs
1179 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1180
1181 In order for CPU cores and GPU(s) to execute concurrently, tasks are
1182 launched and executed asynchronously on the GPU(s) while the CPU cores
1183 execute non-offloaded force computation (like long-range PME electrostatics).
1184 Asynchronous task launches are handled by GPU device driver and
1185 require CPU involvement. Therefore, the work of scheduling
1186 GPU tasks will incur an overhead that can in some cases significantly
1187 delay or interfere with the CPU execution.
1188
1189 Delays in CPU execution are caused by the latency of launching GPU tasks,
1190 an overhead that can become significant as simulation ns/day increases
1191 (i.e. with shorter wall-time per step).
1192 The overhead is measured by :ref:`gmx mdrun` and reported in the performance
1193 summary section of the log file ("Launch GPU ops" row).
1194 A few percent of runtime spent in this category is normal,
1195 but in fast-iterating and multi-GPU parallel runs 10% or larger overheads can be observed.
1196 In general, a user can do little to avoid such overheads, but there
1197 are a few cases where tweaks can give performance benefits.
1198 In single-rank runs timing of GPU tasks is by default enabled and,
1199 while in most cases its impact is small, in fast runs performance can be affected.
1200 The performance impact will be most significant on NVIDIA GPUs with CUDA,
1201 less on AMD and Intel with OpenCL.
1202 In these cases, when more than a few percent of "Launch GPU ops" time is observed,
1203 it is recommended to turn off timing by setting the ``GMX_DISABLE_GPU_TIMING``
1204 environment variable.
1205 In parallel runs with many ranks sharing a GPU,
1206 launch overheads can also be reduced by starting fewer thread-MPI
1207 or MPI ranks per GPU; e.g. most often one rank per thread or core is not optimal.
1208
1209 The second type of overhead, interference of the GPU driver with CPU computation,
1210 is caused by the scheduling and coordination of GPU tasks.
1211 A separate GPU driver thread can require CPU resources
1212 which may clash with the concurrently running non-offloaded tasks,
1213 potentially degrading the performance of PME or bonded force computation.
1214 This effect is most pronounced when using AMD GPUs with OpenCL with
1215 older driver releases (e.g. fglrx 12.15).
1216 To minimize the overhead it is recommended to
1217 leave a CPU hardware thread unused when launching :ref:`gmx mdrun`,
1218 especially on CPUs with high core counts and/or HyperThreading enabled.
1219 E.g. on a machine with a 4-core CPU and eight threads (via HyperThreading) and an AMD GPU,
1220 try ``gmx mdrun -ntomp 7 -pin on``.
1221 This will leave free CPU resources for the GPU task scheduling
1222 reducing interference with CPU computation.
1223 Note that assigning fewer resources to :ref:`gmx mdrun` CPU computation
1224 involves a tradeoff which may outweigh the benefits of reduced GPU driver overhead,
1225 in particular without HyperThreading and with few CPU cores.
1226
1227 .. TODO In future patch: any tips not covered above
1228
1229 Running the OpenCL version of mdrun
1230 -----------------------------------
1231
1232 Currently supported hardware architectures are:
1233 - GCN-based AMD GPUs;
1234 - NVIDIA GPUs (with at least OpenCL 1.2 support);
1235 - Intel iGPUs.
1236 Make sure that you have the latest drivers installed. For AMD GPUs,
1237 the compute-oriented `ROCm <https://rocm.github.io/>`_ stack is recommended;
1238 alternatively, the AMDGPU-PRO stack is also compatible; using the outdated
1239 and unsupported `fglrx` proprietary driver and runtime is not recommended (but
1240 for certain older hardware that may be the only way to obtain support).
1241 In addition Mesa version 17.0 or newer with LLVM 4.0 or newer is also supported.
1242 For NVIDIA GPUs, using the proprietary driver is
1243 required as the open source nouveau driver (available in Mesa) does not
1244 provide the OpenCL support.
1245 For Intel integrated GPUs, the `Neo driver <https://github.com/intel/compute-runtime/releases>`_ is
1246 recommended.
1247 TODO: add more Intel driver recommendations
1248 The minimum OpenCL version required is |REQUIRED_OPENCL_MIN_VERSION|. See
1249 also the :ref:`known limitations <opencl-known-limitations>`.
1250
1251 Devices from the AMD GCN architectures (all series) are compatible
1252 and regularly tested; NVIDIA Kepler and later (compute capability 3.0)
1253 are known to work, but before doing production runs always make sure that the |Gromacs| tests
1254 pass successfully on the hardware.
1255
1256 The OpenCL GPU kernels are compiled at run time. Hence,
1257 building the OpenCL program can take a few seconds, introducing a slight
1258 delay in the :ref:`gmx mdrun` startup. This is not normally a
1259 problem for long production MD, but you might prefer to do some kinds
1260 of work, e.g. that runs very few steps, on just the CPU (e.g. see ``-nb`` above).
1261
1262 The same ``-gpu_id`` option (or ``GMX_GPU_ID`` environment variable)
1263 used to select CUDA devices, or to define a mapping of GPUs to PP
1264 ranks, is used for OpenCL devices.
1265
1266 Some other :ref:`OpenCL management <opencl-management>` environment
1267 variables may be of interest to developers.
1268
1269 .. _opencl-known-limitations:
1270
1271 Known limitations of the OpenCL support
1272 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1273
1274 Limitations in the current OpenCL support of interest to |Gromacs| users:
1275
1276 - Intel integrated GPUs are supported. Intel CPUs and Xeon Phi are not supported.
1277 - Due to blocking behavior of some asynchronous task enqueuing functions
1278   in the NVIDIA OpenCL runtime, with the affected driver versions there is
1279   almost no performance gain when using NVIDIA GPUs.
1280   The issue affects NVIDIA driver versions up to 349 series, but it
1281   known to be fixed 352 and later driver releases.
1282 - On NVIDIA GPUs the OpenCL kernels achieve much lower performance
1283   than the equivalent CUDA kernels due to limitations of the NVIDIA OpenCL
1284   compiler.
1285
1286 Limitations of interest to |Gromacs| developers:
1287
1288 - The current implementation requires a minimum execution with of 16; kernels
1289   compiled for narrower execution width (be it due to hardware requirements or
1290   compiler choice) will not be suitable and will trigger a runtime error.
1291
1292 Performance checklist
1293 ---------------------
1294
1295 There are many different aspects that affect the performance of simulations in
1296 |Gromacs|. Most simulations require a lot of computational resources, therefore
1297 it can be worthwhile to optimize the use of those resources. Several issues
1298 mentioned in the list below could lead to a performance difference of a factor
1299 of 2. So it can be useful go through the checklist.
1300
1301 |Gromacs| configuration
1302 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1303
1304 * Don't use double precision unless you're absolute sure you need it.
1305 * Compile the FFTW library (yourself) with the correct flags on x86 (in most
1306   cases, the correct flags are automatically configured).
1307 * On x86, use gcc or icc as the compiler (not pgi or the Cray compiler).
1308 * On POWER, use gcc instead of IBM's xlc.
1309 * Use a new compiler version, especially for gcc (e.g. from version 5 to 6
1310   the performance of the compiled code improved a lot).
1311 * MPI library: OpenMPI usually has good performance and causes little trouble.
1312 * Make sure your compiler supports OpenMP (some versions of Clang don't).
1313 * If you have GPUs that support either CUDA or OpenCL, use them.
1314
1315   * Configure with ``-DGMX_GPU=ON`` (add ``-DGMX_USE_OPENCL=ON`` for OpenCL).
1316   * For CUDA, use the newest CUDA available for your GPU to take advantage of the
1317     latest performance enhancements.
1318   * Use a recent GPU driver.
1319   * Make sure you use an :ref:`gmx mdrun` with ``GMX_SIMD`` appropriate for the CPU
1320     architecture; the log file will contain a warning note if suboptimal setting is used.
1321     However, prefer ``AVX2` over ``AVX512`` in GPU or highly parallel MPI runs (for more
1322     information see the :ref:`intra-core parallelization information <intra-core-parallelization>`).
1323   * If compiling on a cluster head node, make sure that ``GMX_SIMD``
1324     is appropriate for the compute nodes.
1325
1326 Run setup
1327 ^^^^^^^^^
1328
1329 * For an approximately spherical solute, use a rhombic dodecahedron unit cell.
1330 * When using a time-step of 2 fs, use :mdp-value:`constraints=h-bonds`
1331   (and not :mdp-value:`constraints=all-bonds`), since this is faster, especially with GPUs,
1332   and most force fields have been parametrized with only bonds involving
1333   hydrogens constrained.
1334 * You can increase the time-step to 4 or 5 fs when using virtual interaction
1335   sites (``gmx pdb2gmx -vsite h``).
1336 * For massively parallel runs with PME, you might need to try different numbers
1337   of PME ranks (``gmx mdrun -npme ???``) to achieve best performance;
1338   :ref:`gmx tune_pme` can help automate this search.
1339 * For massively parallel runs (also ``gmx mdrun -multidir``), or with a slow
1340   network, global communication can become a bottleneck and you can reduce it
1341   by choosing larger periods for algorithms such as temperature and
1342   pressure coupling).
1343
1344 Checking and improving performance
1345 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
1346
1347 * Look at the end of the ``md.log`` file to see the performance and the cycle
1348   counters and wall-clock time for different parts of the MD calculation. The
1349   PP/PME load ratio is also printed, with a warning when a lot of performance is
1350   lost due to imbalance.
1351 * Adjust the number of PME ranks and/or the cut-off and PME grid-spacing when
1352   there is a large PP/PME imbalance. Note that even with a small reported
1353   imbalance, the automated PME-tuning might have reduced the initial imbalance.
1354   You could still gain performance by changing the mdp parameters or increasing
1355   the number of PME ranks.
1356 * If the neighbor searching takes a lot of time, increase nstlist. If a Verlet
1357   buffer tolerance is used, this is done automatically by :ref:`gmx mdrun`
1358   and the pair-list buffer is increased to keep the energy drift constant.
1359
1360   * If ``Comm. energies`` takes a lot of time (a note will be printed in the log
1361     file), increase nstcalcenergy.
1362   * If all communication takes a lot of time, you might be running on too many
1363     cores, or you could try running combined MPI/OpenMP parallelization with 2
1364     or 4 OpenMP threads per MPI process.