include/gmx_cpuid.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013, by the GROMACS development team, led by
   5  * David van der Spoel, Berk Hess, Erik Lindahl, and including many
   6  * others, as listed in the AUTHORS file in the top-level source
   7  * directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 #ifndef GMX_CPUID_H_
  36 #define GMX_CPUID_H_
  37
  38 #include <stdio.h>
  39
  40 #include "visibility.h"
  41
  42 #ifdef __cplusplus
  43 extern "C" {
  44 #endif
  45 #if 0
  46 } /* fixes auto-indentation problems */
  47 #endif
  48
  49
  50 /* Currently identifiable CPU Vendors */
  51 enum gmx_cpuid_vendor
  52 {
  53     GMX_CPUID_VENDOR_CANNOTDETECT,   /* Should only be used if something fails */
  54     GMX_CPUID_VENDOR_UNKNOWN,
  55     GMX_CPUID_VENDOR_INTEL,
  56     GMX_CPUID_VENDOR_AMD,
  57     GMX_CPUID_VENDOR_FUJITSU,
  58     GMX_CPUID_VENDOR_IBM,
  59     GMX_CPUID_NVENDORS
  60 };
  61
  62
  63 /* CPU feature/property list, to be used as indices into the feature array of the
  64  * gmxcpuid_t data structure.
  65  *
  66  * To facilitate looking things up, we keep this list alphabetical.
  67  * The list is NOT exhaustive - we have basically added stuff that might be
  68  * useful in an application like Gromacs.
  69  *
  70  * AMD and Intel tend to share most architectural elements, and even if the
  71  * flags might have to be detected in different ways (different cpuid registers),
  72  * once the flag is present the functions should be identical. Unfortunately the
  73  * trend right now (2012) seems to be that they are diverging. This means that
  74  * we need to use specific flags to the compiler to maximize performance, and
  75  * then the binaries might not be portable between Intel and AMD as they were
  76  * before when we only needed to check for SSE and/or SSE2 support in Gromacs.
  77  */
  78 enum gmx_cpuid_feature
  79 {
  80     GMX_CPUID_FEATURE_CANNOTDETECT,      /* Flag set if we could not detect on this CPU  */
  81     GMX_CPUID_FEATURE_X86_AES,           /* x86 advanced encryption standard accel.      */
  82     GMX_CPUID_FEATURE_X86_APIC,          /* APIC support                                 */
  83     GMX_CPUID_FEATURE_X86_AVX,           /* Advanced vector extensions                   */
  84     GMX_CPUID_FEATURE_X86_AVX2,          /* AVX2 including gather support (not used yet) */
  85     GMX_CPUID_FEATURE_X86_CLFSH,         /* Supports CLFLUSH instruction                 */
  86     GMX_CPUID_FEATURE_X86_CMOV,          /* Conditional move insn support                */
  87     GMX_CPUID_FEATURE_X86_CX8,           /* Supports CMPXCHG8B (8-byte compare-exchange) */
  88     GMX_CPUID_FEATURE_X86_CX16,          /* Supports CMPXCHG16B (16-byte compare-exchg)  */
  89     GMX_CPUID_FEATURE_X86_F16C,          /* Supports 16-bit FP conversion instructions   */
  90     GMX_CPUID_FEATURE_X86_FMA,           /* Fused-multiply add support (mainly for AVX)  */
  91     GMX_CPUID_FEATURE_X86_FMA4,          /* 4-operand FMA, only on AMD for now           */
  92     GMX_CPUID_FEATURE_X86_HTT,           /* Hyper-Threading supported                    */
  93     GMX_CPUID_FEATURE_X86_LAHF_LM,       /* LAHF/SAHF support in 64 bits                 */
  94     GMX_CPUID_FEATURE_X86_MISALIGNSSE,   /* Support for misaligned SSE data instructions */
  95     GMX_CPUID_FEATURE_X86_MMX,           /* MMX registers and instructions               */
  96     GMX_CPUID_FEATURE_X86_MSR,           /* Supports Intel model-specific-registers      */
  97     GMX_CPUID_FEATURE_X86_NONSTOP_TSC,   /* Invariant TSC (constant rate in ACPI states) */
  98     GMX_CPUID_FEATURE_X86_PCID,          /* Process context identifier support           */
  99     GMX_CPUID_FEATURE_X86_PCLMULDQ,      /* Carry-less 64-bit multiplication supported   */
 100     GMX_CPUID_FEATURE_X86_PDCM,          /* Perfmon and Debug Capability                 */
 101     GMX_CPUID_FEATURE_X86_PDPE1GB,       /* Support for 1GB pages                        */
 102     GMX_CPUID_FEATURE_X86_POPCNT,        /* Supports the POPCNT (population count) insn  */
 103     GMX_CPUID_FEATURE_X86_PSE,           /* Supports 4MB-pages (page size extension)     */
 104     GMX_CPUID_FEATURE_X86_RDRND,         /* RDRAND high-quality hardware random numbers  */
 105     GMX_CPUID_FEATURE_X86_RDTSCP,        /* Serializing rdtscp instruction available     */
 106     GMX_CPUID_FEATURE_X86_SSE2,          /* SSE 2                                        */
 107     GMX_CPUID_FEATURE_X86_SSE3,          /* SSE 3                                        */
 108     GMX_CPUID_FEATURE_X86_SSE4A,         /* SSE 4A                                       */
 109     GMX_CPUID_FEATURE_X86_SSE4_1,        /* SSE 4.1                                      */
 110     GMX_CPUID_FEATURE_X86_SSE4_2,        /* SSE 4.2                                      */
 111     GMX_CPUID_FEATURE_X86_SSSE3,         /* Supplemental SSE3                            */
 112     GMX_CPUID_FEATURE_X86_TDT,           /* TSC deadline timer                           */
 113     GMX_CPUID_FEATURE_X86_X2APIC,        /* Extended xAPIC Support                       */
 114     GMX_CPUID_FEATURE_X86_XOP,           /* AMD extended instructions, only AMD for now  */
 115     GMX_CPUID_NFEATURES
 116 };
 117
 118
 119 /* Currently supported acceleration instruction sets, intrinsics or other similar combinations
 120  * in Gromacs. There is not always a 1-to-1 correspondence with feature flags; on some AMD
 121  * hardware we prefer to use 128bit AVX instructions (although 256-bit ones could be executed),
 122  * and we still haven't written the AVX2 kernels.
 123  */
 124 enum gmx_cpuid_acceleration
 125 {
 126     GMX_CPUID_ACCELERATION_CANNOTDETECT,    /* Should only be used if something fails */
 127     GMX_CPUID_ACCELERATION_NONE,
 128     GMX_CPUID_ACCELERATION_X86_SSE2,
 129     GMX_CPUID_ACCELERATION_X86_SSE4_1,
 130     GMX_CPUID_ACCELERATION_X86_AVX_128_FMA,
 131     GMX_CPUID_ACCELERATION_X86_AVX_256,
 132     GMX_CPUID_ACCELERATION_SPARC64_HPC_ACE,
 133     GMX_CPUID_NACCELERATIONS
 134 };
 135
 136 /* Text strings corresponding to CPU vendors */
 137 GMX_LIBGMX_EXPORT
 138 extern const char *
 139 gmx_cpuid_vendor_string[GMX_CPUID_NVENDORS];
 140
 141 /* Text strings for CPU feature indices */
 142 extern const char *
 143 gmx_cpuid_feature_string[GMX_CPUID_NFEATURES];
 144
 145 /* Text strings for Gromacs acceleration/instruction sets */
 146 extern const char *
 147 gmx_cpuid_acceleration_string[GMX_CPUID_NACCELERATIONS];
 148
 149
 150 /* Abstract data type with CPU detection information. Set by gmx_cpuid_init(). */
 151 typedef struct gmx_cpuid *
 152     gmx_cpuid_t;
 153
 154
 155 /* Fill the data structure by using CPU detection instructions.
 156  * Return 0 on success, 1 if something bad happened.
 157  */
 158 int
 159 gmx_cpuid_init              (gmx_cpuid_t *              cpuid);
 160
 161
 162 /* Return the vendor id as enumerated type. Use gmx_cpuid_vendor_string[]
 163  * to get the corresponding text string.
 164  */
 165 GMX_LIBGMX_EXPORT
 166 enum gmx_cpuid_vendor
 167 gmx_cpuid_vendor            (gmx_cpuid_t                cpuid);
 168
 169
 170 /* Return a constant pointer to the processor brand string. */
 171 const char *
 172 gmx_cpuid_brand             (gmx_cpuid_t                cpuid);
 173
 174
 175 /* Return processor family version. For a chip of version 1.2.3, this is 1 */
 176 GMX_LIBGMX_EXPORT
 177 int
 178 gmx_cpuid_family            (gmx_cpuid_t                cpuid);
 179
 180 /* Return processor model version, For a chip of version 1.2.3, this is 2. */
 181 GMX_LIBGMX_EXPORT
 182 int
 183 gmx_cpuid_model             (gmx_cpuid_t                cpuid);
 184
 185 /* Return processor stepping version, For a chip of version 1.2.3, this is 3. */
 186 int
 187 gmx_cpuid_stepping          (gmx_cpuid_t                cpuid);
 188
 189
 190 /* Check whether a particular CPUID feature is set.
 191  * Returns 0 if flag "feature" is not set, 1 if the flag is set. We cannot use
 192  * gmx_bool here since this file must be possible to compile without simple.h.
 193  */
 194 GMX_LIBGMX_EXPORT
 195 int
 196 gmx_cpuid_feature           (gmx_cpuid_t                cpuid,
 197                              enum gmx_cpuid_feature     feature);
 198
 199
 200 /* Return pointers to cpu topology information.
 201  *
 202  * Important: CPU topology requires more OS support than most other
 203  * functions in this file, including support for thread pinning to hardware.
 204  * This means it will not work on some platforms, including e.g. Mac OS X.
 205  * Thus, it is IMPERATIVE that you check the return value from this routine
 206  * before doing anything with the information. It is only if the return
 207  * value is zero that the data is valid.
 208  *
 209  * For the returned values we have:
 210  * - nprocessors         Total number of logical processors reported by OS
 211  * - npackages           Usually number of CPU sockets
 212  * - ncores_per_package  Number of cores in each package
 213  * - nhwthreads_per_core Number of hardware threads per core; 2 for hyperthreading.
 214  * - package_id          Array with the package index for each logical cpu
 215  * - core_id             Array with local core index for each logical cpu
 216  * - hwthread_id         Array with local hwthread index for each logical cpu
 217  * - locality_order      Array with logical cpu numbers, sorted in order
 218  *                       of physical and logical locality in the system.
 219  *
 220  * All arrays are of length nprocessors.
 221  */
 222 GMX_LIBGMX_EXPORT
 223 int
 224 gmx_cpuid_topology(gmx_cpuid_t        cpuid,
 225                    int *              nprocessors,
 226                    int *              npackages,
 227                    int *              ncores_per_package,
 228                    int *              nhwthreads_per_core,
 229                    const int **       package_id,
 230                    const int **       core_id,
 231                    const int **       hwthread_id,
 232                    const int **       locality_order);
 233
 234 /* Enumerated values for x86 SMT enabled-status. Note that this does not refer
 235  * to Hyper-Threading support (that is the flag GMX_CPUID_FEATURE_X86_HTT), but
 236  * whether Hyper-Threading is _enabled_ and _used_ in bios right now.
 237  */
 238 enum gmx_cpuid_x86_smt
 239 {
 240     GMX_CPUID_X86_SMT_CANNOTDETECT,
 241     GMX_CPUID_X86_SMT_DISABLED,
 242     GMX_CPUID_X86_SMT_ENABLED
 243 };
 244
 245 /* Returns the status of x86 SMT support. IMPORTANT: There are non-zero
 246  * return values for this routine that still do not indicate supported and
 247  * enabled smt/Hyper-Threading. You need to carefully check the return value
 248  * against the enumerated type values to see what you are getting.
 249  *
 250  * Long-term, this functionality will move to a new hardware topology detection
 251  * layer, but that will require a lot of new code and a working interface to the
 252  * hwloc library. Surprisingly, there is no simple way to find out that
 253  * Hyper-Threading is actually turned on without fully enumerating and checking
 254  * all the cores, which we presently can only do on Linux. This means a couple
 255  * of things:
 256  *
 257  * 1) If you want to know whether your CPU _supports_ Hyper-Threading in the
 258  *    first place, check the GMX_CPUID_FEATURE_X86_HTT flag instead!
 259  * 2) There are several scenarios where this routine will say that it cannot
 260  *    detect whether SMT is enabled and used right now.
 261  * 3) If you need support on non-Linux x86, you have to write it :-)
 262  * 4) Don't invest too much efforts, since this will be replaced with
 263  *    full hardware topology detection in the future.
 264  * 5) Don't worry if the detection does not work. It is not a catastrophe, but
 265  *    but we get slightly better performance on x86 if we use Hyper-Threading
 266  *    cores in direct space, but not reciprocal space.
 267  *
 268  * Since this routine presently only supports Hyper-Threading we say X86_SMT
 269  * in order not to give the impression we can detect any SMT. We haven't
 270  * even tested the performance on other SMT implementations, so it is not
 271  * obvious we shouldn't use SMT there.
 272  *
 273  * Note that you can get more complete topology information from
 274  * gmx_cpuid_topology(), although that requires slightly more OS support.
 275  */
 276 GMX_LIBGMX_EXPORT
 277 enum gmx_cpuid_x86_smt
 278 gmx_cpuid_x86_smt(gmx_cpuid_t cpuid);
 279
 280
 281 /* Formats a text string (up to n characters) from the data structure.
 282  * The output will have max 80 chars between newline characters.
 283  */
 284 int
 285 gmx_cpuid_formatstring      (gmx_cpuid_t                cpuid,
 286                              char *                     s,
 287                              int                        n);
 288
 289
 290 /* Suggests a suitable gromacs acceleration based on the support in the
 291  * hardware.
 292  */
 293 enum gmx_cpuid_acceleration
 294 gmx_cpuid_acceleration_suggest  (gmx_cpuid_t                    cpuid);
 295
 296
 297 /* Check if this binary was compiled with the same acceleration as we
 298  * would suggest for the current hardware. Always print stats to the log file
 299  * if it is non-NULL, and print a warning in stdout if we don't have a match.
 300  */
 301 int
 302 gmx_cpuid_acceleration_check    (gmx_cpuid_t                cpuid,
 303                                  FILE *                     log);
 304
 305
 306 /* Release resources used by data structure. Note that the pointer to the
 307  * CPU brand string will no longer be valid once this routine has been called.
 308  */
 309 void
 310 gmx_cpuid_done              (gmx_cpuid_t                cpuid);
 311
 312
 313
 314
 315 #ifdef __cplusplus
 316 }
 317 #endif
 318
 319
 320 #endif /* GMX_CPUID_H_ */