Refer to "mixed" precision in user-facing documentation
[alexxy/gromacs.git] / install-guide / install-guide.md
1 % Installation guide for GROMACS @PROJECT_VERSION@
2
3 # Building GROMACS #
4
5 These instructions pertain to building GROMACS
6 @PROJECT_VERSION@. Up-to-date installation instructions may be found
7 at <http://www.gromacs.org/Documentation/Installation_Instructions>.
8
9 # Quick and dirty installation #
10
11 1. Get the latest version of your C and C++ compilers.
12 2. Check that you have CMake version @GMX_CMAKE_MINIMUM_REQUIRED_VERSION@ or later.
13 3. Get and unpack the latest version of the GROMACS tarball.
14 4. Make a separate build directory and change to it. 
15 5. Run `cmake` with the path to the source as an argument
16 6. Run `make` and `make install`
17
18 Or, as a sequence of commands to execute:
19
20     tar xfz gromacs-@PROJECT_VERSION@.tar.gz
21     cd gromacs-@PROJECT_VERSION@
22     mkdir build
23     cd build
24     cmake .. -DGMX_BUILD_OWN_FFTW=ON
25     make
26     sudo make install
27     source /usr/local/gromacs/bin/GMXRC
28
29 This will download and build first the prerequisite FFT library
30 followed by GROMACS. If you already have FFTW installed, you can
31 remove that argument to `cmake`. Overall, this build of GROMACS will
32 be correct and reasonably fast on the machine upon which `cmake`
33 ran. If you want to get the maximum value for your hardware with
34 GROMACS, you will have to read further. Sadly, the interactions of
35 hardware, libraries, and compilers are only going to continue to get
36 more complex.
37
38 # Typical GROMACS installation #
39
40 As above, and with further details below, but you should consider
41 using the following [CMake options](#using-cmake-command-line-options) with the
42 appropriate value instead of `xxx` :
43
44 * `-DCMAKE_C_COMPILER=xxx` equal to the name of the C99 [compiler](#compiler) you wish to use (or the environment variable `CC`)
45 * `-DCMAKE_CXX_COMPILER=xxx` equal to the name of the C++98 [compiler](#compiler) you wish to use (or the environment variable `CXX`)
46 * `-DGMX_MPI=on` to build using an [MPI](#mpi-support) wrapper compiler
47 * `-DGMX_GPU=on` to build using nvcc to run with an NVIDIA [GPU](#native-gpu-acceleration)
48 * `-DGMX_SIMD=xxx` to specify the level of [SIMD support](#simd-support) of the node on which `mdrun` will run
49 * `-DGMX_BUILD_MDRUN_ONLY=on` to [build only the `mdrun` binary](#building-only-mdrun), e.g. for compute cluster back-end nodes
50 * `-DGMX_DOUBLE=on` to run GROMACS in double precision (slower, and not normally useful)
51 * `-DCMAKE_PREFIX_PATH=xxx` to add a non-standard location for CMake to [search for libraries](#helping-cmake-find-the-right-librariesheadersprograms)
52 * `-DCMAKE_INSTALL_PREFIX=xxx` to install GROMACS to a non-standard location (default `/usr/local/gromacs`)
53 * `-DBUILD_SHARED_LIBS=off` to turn off the building of [shared libraries](#static-linking)
54 * `-DGMX_FFT_LIBRARY=xxx` to select whether to use `fftw`, `mkl` or `fftpack` libraries for [FFT support](#fast-fourier-transform-library)
55 * `-DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug` to build GROMACS in debug mode
56
57 # Building older GROMACS versions #
58
59 For installation instructions for old GROMACS versions, see the
60 documentation at
61 <http://www.gromacs.org/Documentation/Installation_Instructions_4.5>
62 and
63 <http://www.gromacs.org/Documentation/Installation_Instructions_4.6>
64
65 # Prerequisites #
66
67 ## Platform ##
68
69 GROMACS can be compiled for many operating systems and architectures.
70 These include any distribution of Linux, Mac OS X or Windows, and
71 architectures including x86, AMD64/x86-64, PPC, ARM v7 and SPARC VIII.
72
73 ## Compiler ##
74
75 Technically, GROMACS can be compiled on any platform with an ANSI C99
76 and C++98 compiler, and their respective standard C/C++ libraries.
77 Getting good performance on an OS and architecture requires choosing a
78 good compiler. In practice, many compilers struggle to do a good job
79 optimizing the GROMACS architecture-optimized SIMD kernels.
80
81 For best performance, the GROMACS team strongly recommends you get the
82 most recent version of your preferred compiler for your platform.
83 There is a large amount of GROMACS code that depends on effective
84 compiler optimization to get high performance. This makes GROMACS
85 performance sensitive to the compiler used, and the binary will often
86 only work on the hardware for which it is compiled.
87
88 * In particular, GROMACS includes a lot of explicit SIMD
89 (single instruction, multiple data) optimization that can use
90 assembly instructions available on most modern processors. This
91 can have a substantial effect on performance, but for recent
92 processors you also need a similarly recent compiler that includes
93 support for the corresponding SIMD instruction set to get this
94 benefit. The configuration does a good job at detecting this,
95 and you will usually get warnings if GROMACS and your hardware
96 support a more recent instruction set than your compiler.
97
98 * On Intel-based x86 hardware, we recommend you to use the GNU
99 compilers version 4.7 or later or Intel compilers version 12 or later
100 for best performance. The Intel compiler has historically been better
101 at instruction scheduling, but recent gcc versions have proved to be
102 as fast or sometimes faster than Intel.
103
104 * The Intel and GNU compilers produce much faster GROMACS executables
105 than the PGI and Cray compilers.
106
107 * On AMD-based x86 hardware up through the "K10" microarchitecture
108 ("Family 10h") Thuban/Magny-Cours architecture (e.g. Opteron
109 6100-series processors), it is worth using the Intel compiler for
110 better performance, but gcc version 4.7 and later are also reasonable.
111
112 * On the AMD Bulldozer architecture (Opteron 6200), AMD introduced
113 fused multiply-add instructions and an "FMA4" instruction format not
114 available on Intel x86 processors. Thus, on the most recent AMD
115 processors you want to use gcc version 4.7 or later for best
116 performance! The Intel compiler will only generate code for the subset
117 also supported by Intel processors, and that is significantly slower.
118
119 * If you are running on Mac OS X, the best option is the Intel
120 compiler. Both clang and gcc will work, but they produce lower
121 performance and each have some shortcomings. Current Clang does not
122 support OpenMP. This may change when clang 3.5 becomes available.
123
124 * For all non-x86 platforms, your best option is typically to use the
125 vendor's default or recommended compiler, and check for specialized
126 information below.
127
128 ## Compiling with parallelization options ##
129
130 GROMACS can run in parallel on multiple cores of a single
131 workstation using its built-in thread-MPI. No user action is required
132 in order to enable this.
133
134 ### GPU support ###
135
136 If you wish to use the excellent native GPU support in GROMACS,
137 NVIDIA's [CUDA](http://www.nvidia.com/object/cuda_home_new.html)
138 version @REQUIRED_CUDA_VERSION@ software development kit is required,
139 and the latest version is strongly encouraged. NVIDIA GPUs with at
140 least NVIDIA compute capability @REQUIRED_CUDA_COMPUTE_CAPABILITY@ are
141 required, e.g. Fermi or Kepler cards. You are strongly recommended to
142 get the latest CUDA version and driver supported by your hardware, but
143 beware of possible performance regressions in newer CUDA versions on
144 older hardware. Note that while some CUDA compilers (nvcc) might not
145 officially support recent versions of gcc as the back-end compiler, we
146 still recommend that you at least use a gcc version recent enough to
147 get the best SIMD support for your CPU, since GROMACS always runs some
148 code on the CPU. It is most reliable to use the same C++ compiler
149 version for GROMACS code as used as the back-end compiler for nvcc,
150 but it could be faster to mix compiler versions to suit particular
151 contexts.
152
153 ### MPI support ###
154
155 If you wish to run in parallel on multiple machines across a network,
156 you will need to have
157
158 * an MPI library installed that supports the MPI 1.3
159   standard, and
160 * wrapper compilers that will compile code using that library.
161
162 The GROMACS team recommends [OpenMPI](http://www.open-mpi.org) version
163 1.6 (or higher), [MPICH](http://www.mpich.org) version 1.4.1 (or
164 higher), or your hardware vendor's MPI installation. The most recent
165 version of either of these is likely to be the best. More specialized
166 networks might depend on accelerations only available in the vendor's
167 library. [LAMMPI](http://www.lam-mpi.org) might work, but since it has
168 been deprecated for years, it is not supported.
169
170 Often [OpenMP](http://en.wikipedia.org/wiki/OpenMP) parallelism is an
171 advantage for GROMACS, but support for this is generally built into
172 your compiler and detected automatically.
173
174 In summary, for maximum performance you will need to examine how you
175 will use GROMACS, what hardware you plan to run on, and whether you
176 can afford a non-free compiler for slightly better
177 performance. Unfortunately, the only way to find out is to test
178 different options and parallelization schemes for the actual
179 simulations you want to run. You will still get *good*,
180 performance with the default build and runtime options, but if you
181 truly want to push your hardware to the performance limit, the days of
182 just blindly starting programs with `mdrun` are gone.
183
184 ## CMake ##
185
186 GROMACS @PROJECT_VERSION@ uses the CMake build system, and requires
187 version @GMX_CMAKE_MINIMUM_REQUIRED_VERSION@ or higher. Lower versions
188 will not work. You can check whether CMake is installed, and what
189 version it is, with `cmake --version`. If you need to install CMake,
190 then first check whether your platform's package management system
191 provides a suitable version, or visit
192 <http://www.cmake.org/cmake/help/install.html> for pre-compiled
193 binaries, source code and installation instructions. The GROMACS team
194 recommends you install the most recent version of CMake you can.
195
196 ## Fast Fourier Transform library ##
197
198 Many simulations in GROMACS make extensive use of fast Fourier
199 transforms, and a software library to perform these is always
200 required. We recommend [FFTW](http://www.fftw.org) (version 3 or
201 higher only) or
202 [Intel MKL](http://software.intel.com/en-us/intel-mkl). The choice of
203 library can be set with `cmake -DGMX_FFT_LIBRARY=<name>`, where
204 `<name>` is one of `fftw`, `mkl`, or `fftpack`. FFTPACK is bundled
205 with GROMACS as a fallback, and is acceptable if mdrun performance is
206 not a priority.
207
208 ### FFTW ###
209
210 FFTW is likely to be available for your platform via its package
211 management system, but there can be compatibility and significant
212 performance issues associated with these packages. In particular,
213 GROMACS simulations are normally run in "mixed" floating-point
214 precision, which is suited for the use of single precision in
215 FFTW. The default FFTW package is normally in double
216 precision, and good compiler options to use for FFTW when linked to
217 GROMACS may not have been used. Accordingly, the GROMACS team
218 recommends either
219
220 * that you permit the GROMACS installation to download and
221   build FFTW from source automatically for you (use
222   `cmake -DGMX_BUILD_OWN_FFTW=ON`), or
223 * that you build FFTW from the source code.
224
225 Note that the GROMACS-managed download of the FFTW tarball has a
226 slight chance of posing a security risk. If you use this option, you
227 will see a warning that advises how you can eliminate this risk
228 (before the opportunity has arisen).
229
230 If you build FFTW from source yourself, get the most recent version
231 and follow its [installation
232 guide](http://www.fftw.org/doc/Installation-and-Customization.html#Installation-and-Customization).
233 Choose the precision for FFTW (i.e. single or float vs. double) to
234 match whether you will later use mixed or double precision for
235 GROMACS. There is no need to compile FFTW with
236 threading or MPI support, but it does no harm. On x86 hardware,
237 compile *only* with `--enable-sse2` (regardless of precision) even if
238 your processors can take advantage of AVX extensions. Since GROMACS
239 uses fairly short transform lengths we do not benefit from the FFTW
240 AVX acceleration, and because of memory system performance
241 limitations, it can even degrade GROMACS performance by around
242 20%. There is no way for GROMACS to limit the use to SSE2 SIMD at run
243 time if AVX support has been compiled into FFTW, so you need to set
244 this at compile time.
245
246 ### MKL ###
247
248 Using MKL with the Intel Compilers version 11 or higher is very
249 simple. Set up your compiler environment correctly, perhaps with a
250 command like `source /path/to/compilervars.sh intel64` (or consult
251 your local documentation). Then set `-DGMX_FFT_LIBRARY=mkl` when you
252 run cmake. In this case, GROMACS will also use MKL for BLAS and LAPACK
253 (see
254 [linear algebra libraries](#linear-algebra-libraries)). Generally,
255 there is no advantage in using MKL with GROMACS, and FFTW is often
256 faster.
257
258 Otherwise, you can get your hands dirty and configure MKL by setting
259
260     -DGMX_FFT_LIBRARY=mkl
261     -DMKL_LIBRARIES="/full/path/to/libone.so;/full/path/to/libtwo.so"
262     -DMKL_INCLUDE_DIR="/full/path/to/mkl/include"
263
264 where the full list (and order!) of libraries you require are found in
265 Intel's MKL documentation for your system.
266
267 ## Optional build components ##
268
269 * Compiling to run on NVIDIA GPUs requires CUDA
270 * An external Boost library can be used to provide better
271   implementation support for smart pointers and exception handling,
272   but the GROMACS source bundles a subset of Boost 1.55.0 as a fallback
273 * Hardware-optimized BLAS and LAPACK libraries are useful
274   for a few of the GROMACS utilities focused on normal modes and
275   matrix manipulation, but they do not provide any benefits for normal
276   simulations. Configuring these are discussed at
277   [linear algebra libraries](#linear-algebra-libraries).
278 * The built-in GROMACS trajectory viewer `gmx view` requires X11 and
279   Motif/Lesstif libraries and header files. You may prefer to use
280   third-party software for visualization, such as
281   [VMD](http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd) or
282   [PyMOL](http://www.pymol.org).
283 * An external TNG library for trajectory-file handling can be used,
284   but TNG 1.6 is bundled in the GROMACS source already
285 * zlib is used by TNG for compressing some kinds of trajectory data
286 * Running the GROMACS test suite requires libxml2
287 * Building the GROMACS documentation requires ImageMagick, pdflatex,
288   bibtex, doxygen and pandoc.
289 * The GROMACS utility programs often write data files in formats
290   suitable for the Grace plotting tool, but it is straightforward to
291   use these files in other plotting programs, too.
292
293 # Doing a build of GROMACS #
294
295 This section will cover a general build of GROMACS with CMake, but it
296 is not an exhaustive discussion of how to use CMake. There are many
297 resources available on the web, which we suggest you search for when
298 you encounter problems not covered here. The material below applies
299 specifically to builds on Unix-like systems, including Linux, and Mac
300 OS X. For other platforms, see the specialist instructions below.
301
302 ## Configuring with CMake ##
303
304 CMake will run many tests on your system and do its best to work out
305 how to build GROMACS for you. If your build machine is the same as
306 your target machine, then you can be sure that the defaults will be
307 pretty good. The build configuration will for instance attempt to
308 detect the specific hardware instructions available in your
309 processor. However, if you want to control aspects of the build, or
310 you are compiling on a cluster head node for back-end nodes with a
311 different architecture, there are plenty of things you can set
312 manually.
313
314 The best way to use CMake to configure GROMACS is to do an
315 "out-of-source" build, by making another directory from which you will
316 run CMake. This can be outside the source directory, or a subdirectory
317 of it. It also means you can never corrupt your source code by trying
318 to build it! So, the only required argument on the CMake command line
319 is the name of the directory containing the `CMakeLists.txt` file of
320 the code you want to build. For example, download the source tarball
321 and use
322
323     $ tar xfz gromacs-@PROJECT_VERSION@.tgz
324     $ cd gromacs-@PROJECT_VERSION@
325     $ mkdir build-gromacs
326     $ cd build-gromacs
327     $ cmake ..
328
329 You will see `cmake` report a sequence of results of tests and
330 detections done by the GROMACS build system. These are written to the
331 `cmake` cache, kept in `CMakeCache.txt`. You can edit this file by
332 hand, but this is not recommended because you could make a mistake.
333 You should not attempt to move or copy this file to do another build,
334 because file paths are hard-coded within it. If you mess things up,
335 just delete this file and start again with `cmake`.
336
337 If there is a serious problem detected at this stage, then you will see
338 a fatal error and some suggestions for how to overcome it. If you are
339 not sure how to deal with that, please start by searching on the web
340 (most computer problems already have known solutions!) and then
341 consult the gmx-users mailing list. There are also informational
342 warnings that you might like to take on board or not. Piping the
343 output of `cmake` through `less` or `tee` can be
344 useful, too.
345
346 Once `cmake` returns, you can see all the settings that were chosen
347 and information about them by using e.g. the curses interface
348
349     $ ccmake ..
350
351 You can actually use `ccmake` (available on most Unix platforms,
352 if the curses library is supported) directly in the first step, but then
353 most of the status messages will merely blink in the lower part
354 of the terminal rather than be written to standard out. Most platforms
355 including Linux, Windows, and Mac OS X even have native graphical user interfaces for
356 `cmake`, and it can create project files for almost any build environment
357 you want (including Visual Studio or Xcode).
358 Check out <http://www.cmake.org/cmake/help/runningcmake.html> for
359 general advice on what you are seeing and how to navigate and change
360 things. The settings you might normally want to change are already
361 presented. You may make changes, then re-configure (using `c`), so that it
362 gets a chance to make changes that depend on yours and perform more
363 checking. This might require several configuration stages when you are
364 using `ccmake` - when you are using `cmake` the
365 iteration is done behind the scenes.
366
367 A key thing to consider here is the setting of
368 `CMAKE_INSTALL_PREFIX`. You will need to be able to write to this
369 directory in order to install GROMACS later, and if you change your
370 mind later, changing it in the cache triggers a full re-build,
371 unfortunately. So if you do not have super-user privileges on your
372 machine, then you will need to choose a sensible location within your
373 home directory for your GROMACS installation. Even if you do have
374 super-user privileges, you should use them only for the installation
375 phase, and never for configuring, building, or running GROMACS!
376
377 When `cmake` or `ccmake` have completed iterating, the
378 cache is stable and a build tree can be generated, with `g` in
379 `ccmake` or automatically with `cmake`.
380
381 You cannot attempt to change compilers after the initial run of
382 `cmake`. If you need to change, clean up, and start again.
383
384 ### Using CMake command-line options ###
385
386 Once you become comfortable with setting and changing options, you may
387 know in advance how you will configure GROMACS. If so, you can speed
388 things up by invoking `cmake` and passing the various options at once
389 on the command line. This can be done by setting cache variable at the
390 cmake invocation using the `-DOPTION=VALUE`; note that some
391 environment variables are also taken into account, in particular
392 variables like CC, CXX, FCC (which may be familiar to autoconf users).
393
394 For example, the following command line
395
396     $ cmake .. -DGMX_GPU=ON -DGMX_MPI=ON -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/home/marydoe/programs
397
398 can be used to build with GPUs, MPI and install in a custom
399 location. You can even save that in a shell script to make it even
400 easier next time. You can also do this kind of thing with `ccmake`,
401 but you should avoid this, because the options set with `-D` will not
402 be able to be changed interactively in that run of `ccmake`.
403
404 ### SIMD support ###
405
406 GROMACS has extensive support for detecting and using the SIMD
407 capabilities of many modern HPC CPU architectures. If you are building
408 GROMACS on the same hardware you will run it on, then you don't need
409 to read more about this, unless you are getting configuration warnings
410 you do not understand. By default, the GROMACS build system will
411 detect the SIMD instruction set supported by the CPU architecture (on
412 which the configuring is done), and thus pick the best
413 available SIMD parallelization supported by GROMACS. The build system
414 will also check that the compiler and linker used also support the
415 selected SIMD instruction set and issue a fatal error if they
416 do not.
417
418 Valid values are listed below, and the
419 applicable value lowest on the list is generally the one you should
420 choose:
421
422 1. `None` For use only on an architecture either lacking SIMD,
423   or to which GROMACS has not yet been ported and none of the
424   options below are applicable.
425 2. `SSE2` This SIMD instruction set was introduced in Intel
426    processors in 2001, and AMD in 2003. Essentially all x86
427    machines in existence have this, so it might be a good choice if
428    you need to support dinosaur x86 computers too.
429 3. `SSE4.1` Present in all Intel core processors since 2007,
430    but notably not in AMD magny-cours. Still, almost all recent
431    processors support this, so this can also be considered a good
432    baseline if you are content with portability between reasonably
433    modern processors.
434 4. `AVX_128_FMA` AMD bulldozer processors (2011) have this.
435    Unfortunately Intel and AMD have diverged the last few years;
436    If you want good performance on modern AMD processors
437    you have to use this since it also allows the reset of the
438    code to use AMD 4-way fused multiply-add instructions. The drawback
439    is that your code will not run on Intel processors at all.
440 5. `AVX_256` This instruction set is present on Intel processors
441    since Sandy Bridge (2011), where it is the best choice unless
442    you have an even more recent CPU that supports AVX2. While this
443    code will work on recent AMD processors, it is significantly
444    less efficient than the AVX_128_FMA choice above - do not be
445    fooled to assume that 256 is better than 128 in this case.
446 6. `AVX2_256` Present on Intel Haswell processors released in 2013,
447    and it will also enable Intel 3-way fused multiply-add instructions.
448    This code will not work on AMD CPUs.
449 7. `IBM_QPX ` BlueGene/Q A2 cores have this.
450 8. `Sparc64_HPC_ACE` Fujitsu machines like the K computer have this.
451
452 The CMake configure system will check that the compiler you have
453 chosen can target the architecture you have chosen. `mdrun` will check
454 further at runtime, so if in doubt, choose the lowest setting you
455 think might work, and see what `mdrun` says. The configure system also
456 works around many known issues in many versions of common HPC
457 compilers. However, since the options also enable general compiler
458 flags for the platform in question, you can end up in situations
459 where e.g. an `AVX_128_FMA` binary will just crash on any
460 Intel machine, since the code will try to execute general illegal
461 instructions (inserted by the compiler) before `mdrun` gets to the
462 architecture detection routines.
463
464 A further `GMX_SIMD=Reference` option exists, which is a special
465 SIMD-like implementation written in plain C that developers can use
466 when developing support in GROMACS for new SIMD architectures. It is
467 not designed for use in production simulations, but if you are using
468 an architecture with SIMD support to which GROMACS has not yet been
469 ported, you may wish to try this option instead of the default
470 `GMX_SIMD=None`, as it can often out-perform this when the
471 auto-vectorization in your compiler does a good job. And post on the
472 GROMACS mailing lists, because GROMACS can probably be ported for new
473 SIMD architectures in a few days.
474
475 ### CMake advanced options ###
476
477 The options that are displayed in the default view of `ccmake` are
478 ones that we think a reasonable number of users might want to consider
479 changing. There are a lot more options available, which you can see by
480 toggling the advanced mode in `ccmake` on and off with `t`. Even
481 there, most of the variables that you might want to change have a
482 `CMAKE_` or `GMX_` prefix. There are also some options that will be
483 visible or not according to whether their preconditions are satisfied.
484
485 ### Helping CMake find the right libraries/headers/programs ###
486
487 If libraries are installed in non-default locations their location can
488 be specified using the following environment variables:
489
490 * `CMAKE_INCLUDE_PATH` for header files
491 * `CMAKE_LIBRARY_PATH` for libraries
492 * `CMAKE_PREFIX_PATH` for header, libraries and binaries
493   (e.g. `/usr/local`).
494
495 The respective `include`, `lib`, or `bin` is
496 appended to the path. For each of these variables, a list of paths can
497 be specified (on Unix, separated with ":"). Note that these are
498 enviroment variables (and not `cmake` command-line arguments) and in
499 a `bash` shell are used like:
500
501     $ CMAKE_PREFIX_PATH=/opt/fftw:/opt/cuda cmake ..
502
503 Alternatively, these variables are also `cmake` options, so they can
504 be set like `-DCMAKE_PREFIX_PATH=/opt/fftw:/opt/cuda`.
505
506 The `CC` and `CXX` environment variables are also useful
507 for indicating to `cmake` which compilers to use, which can be very
508 important for maximising GROMACS performance. Similarly,
509 `CFLAGS`/`CXXFLAGS` can be used to pass compiler
510 options, but note that these will be appended to those set by
511 GROMACS for your build platform and build type. You can customize
512 some of this with advanced options such as `CMAKE_C_FLAGS`
513 and its relatives.
514
515 See also: <http://cmake.org/Wiki/CMake_Useful_Variables#Environment_Variables>
516
517 ### Native GPU acceleration ###
518 If you have the CUDA Toolkit installed, you can use `cmake` with:
519
520     $ cmake .. -DGMX_GPU=ON -DCUDA_TOOLKIT_ROOT_DIR=/usr/local/cuda
521
522 (or whichever path has your installation). In some cases, you might
523 need to specify manually which of your C++ compilers should be used,
524 e.g. with the advanced option `CUDA_HOST_COMPILER`.
525
526 The GPU acceleration has been tested on AMD64/x86-64 platforms with
527 Linux, Mac OS X and Windows operating systems, but Linux is the
528 best-tested and supported of these. Linux running on ARM v7 (32 bit)
529 CPUs also works.
530
531 ### Static linking ###
532 Dynamic linking of the GROMACS executables will lead to a
533 smaller disk footprint when installed, and so is the default on
534 platforms where we believe it has been tested repeatedly and found to work.
535 In general, this includes Linux, Windows, Mac OS X and BSD systems.
536 Static binaries take much more space, but on some hardware and/or under
537 some conditions they are necessary, most commonly when you are running a parallel
538 simulation using MPI libraries (e.g. BlueGene, Cray).
539
540 * To link GROMACS binaries
541 statically against the internal GROMACS libraries, set
542 `-DBUILD_SHARED_LIBS=OFF`.
543 * To link statically against external (non-system) libraries as well,
544 the `-DGMX_PREFER_STATIC_LIBS=ON` option can be used. Note, that in
545 general `cmake` picks up whatever is available, so this option only
546 instructs `cmake` to prefer static libraries when both static and
547 shared are available. If no static version of an external library is
548 available, even when the aforementioned option is `ON`, the shared
549 library will be used. Also note, that the resulting binaries will
550 still be dynamically linked against system libraries on platforms
551 where that is the default. To use static system libraries, additional
552 compiler/linker flags are necessary, e.g. `-static-libgcc
553 -static-libstdc++`.
554
555 ### Portability aspects ###
556
557 Here, we consider portability aspects related to CPU instruction sets,
558 for details on other topics like binaries with statical vs dynamic
559 linking please consult the relevant parts of this documentation or
560 other non-GROMACS specific resources.
561
562 A GROMACS build will normally not be portable, not even across
563 hardware with the same base instruction set like x86. Non-portable
564 hardware-specific optimizations are selected at configure-time, such
565 as the SIMD instruction set used in the compute-kernels. This
566 selection will be done by the build system based on the capabilities
567 of the build host machine or based on cross-compilation information
568 provided to `cmake` at configuration.
569
570 Often it is possible to ensure portability by choosing the least
571 common denominator of SIMD support, e.g. SSE2 for x86, and ensuring
572 the you use `cmake -DGMX_USE_RDTSCP=off` if any of the target CPU
573 architectures does not support the `RDTSCP` instruction.  However, we
574 discourage attempts to use a single GROMACS installation when the
575 execution environment is heterogeneous, such as a mix of AVX and
576 earlier hardware, because this will lead to programs (especially
577 `mdrun`) that run slowly on the new hardware. Building two full
578 installations and locally managing how to call the correct one
579 (e.g. using the module system) is the recommended
580 approach. Alternatively, as at the moment the GROMACS tools do not
581 make strong use of SIMD acceleration, it can be convenient to create
582 an installation with tools portable across different x86 machines, but
583 with separate `mdrun` binaries for each architecture. To achieve this,
584 one can first build a full installation with the
585 least-common-denominator SIMD instruction set, e.g. `-DGMX_SIMD=SSE2`,
586 then build separate `mdrun` binaries for each architecture present in
587 the heterogeneous environment. By using custom binary and library
588 suffixes for the `mdrun`-only builds, these can be installed to the
589 same location as the "generic" tools installation. Building [only the
590 `mdrun` binary](#building-only-mdrun) is possible by setting the `-DGMX_BUILD_MDRUN_ONLY=ON`
591 option.
592
593 ### Linear algebra libraries ###
594
595 As mentioned above, sometimes vendor BLAS and LAPACK libraries
596 can provide performance enhancements for GROMACS when doing
597 normal-mode analysis or covariance analysis. For simplicity, the text
598 below will refer only to BLAS, but the same options are available
599 for LAPACK. By default, CMake will search for BLAS, use it if it
600 is found, and otherwise fall back on a version of BLAS internal to
601 GROMACS. The `cmake` option `-DGMX_EXTERNAL_BLAS=on` will be set
602 accordingly. The internal versions are fine for normal use. If you
603 need to specify a non-standard path to search, use
604 `-DCMAKE_PREFIX_PATH=/path/to/search`. If you need to specify a
605 library with a non-standard name (e.g. ESSL on AIX or BlueGene), then
606 set `-DGMX_BLAS_USER=/path/to/reach/lib/libwhatever.a`.
607
608 If you are using Intel MKL for FFT, then the BLAS and
609 LAPACK it provides are used automatically. This could be
610 over-ridden with `GMX_BLAS_USER`, etc.
611
612 On Apple platforms where the Accelerate Framework is available, these
613 will be automatically used for BLAS and LAPACK. This could be
614 over-ridden with `GMX_BLAS_USER`, etc.
615
616 ### Changing the names of GROMACS binaries and libraries ###
617
618 It is sometimes convenient to have different versions of the same
619 GROMACS programs installed. The most common use cases have been single
620 and double precision, and with and without MPI. This mechanism can
621 also be used to install side-by-side multiple versions of `mdrun`
622 optimized for different CPU architectures, as mentioned previously.
623
624 By default, GROMACS will suffix programs and libraries for such builds
625 with `_d` for double precision and/or `_mpi` for MPI (and nothing
626 otherwise). This can be controlled manually with `GMX_DEFAULT_SUFFIX
627 (ON/OFF)`, `GMX_BINARY_SUFFIX` (takes a string) and `GMX_LIBS_SUFFIX`
628 (also takes a string). For instance, to set a custom suffix for
629 programs and libraries, one might specify:
630
631     cmake .. -DGMX_DEFAULT_SUFFIX=OFF -DGMX_BINARY_SUFFIX=_mod -DGMX_LIBS_SUFFIX=_mod
632
633 Thus the names of all programs and libraries will be appended with
634 `_mod`.
635
636 ## Building GROMACS ##
637
638 Once you have configured with `cmake`, you can build GROMACS. It is
639 expected that the `make` procedure will always complete successfully,
640 and give few or no warnings. The tests GROMACS makes on the settings
641 you choose are pretty extensive, but there are probably a few cases we
642 have not thought of yet. Search the web first for solutions to
643 problems, but if you need help, ask on gmx-users, being sure to
644 provide as much information as possible about what you did, the system
645 you are building on, and what went wrong. This may mean scrolling back
646 a long way through the output of `make` to find the first error
647 message!
648
649 If you have a multi-core or multi-CPU machine with `N`
650 processors, then using
651     $ make -j N
652 will generally speed things up by quite a bit. Other build generator systems
653 supported by `cmake` (e.g. `ninja`) also work well.
654
655 ### Building only mdrun ###
656
657 Past versions of the build system offered "mdrun" and "install-mdrun"
658 targets (similarly for other programs too) to build and install only
659 the mdrun program, respectively. Such a build is useful when the
660 configuration is only relevant for `mdrun` (such as with
661 parallelization options for MPI, SIMD, GPUs, or on BlueGene or Cray),
662 or the length of time for the compile-link-install cycle is relevant
663 when developing.
664
665 This is now supported with the `cmake` option
666 `-DGMX_BUILD_MDRUN_ONLY=ON`, which will build a cut-down version of
667 `libgromacs` and/or the `mdrun` program (according to whether shared
668 or static). Naturally, now `make install` installs only those
669 products. By default, mdrun-only builds will default to static linking
670 against GROMACS libraries, because this is generally a good idea for
671 the targets for which an mdrun-only build is desirable. If you re-use
672 a build tree and change to the mdrun-only build, then you will inherit
673 the setting for `BUILD_SHARED_LIBS` from the old build, and will be
674 warned that you may wish to manage `BUILD_SHARED_LIBS` yourself.
675
676 ## Installing GROMACS ##
677
678 Finally, `make install` will install GROMACS in the
679 directory given in `CMAKE_INSTALL_PREFIX`. If this is a system
680 directory, then you will need permission to write there, and you
681 should use super-user privileges only for `make install` and
682 not the whole procedure.
683
684 ## Getting access to GROMACS after installation ##
685
686 GROMACS installs the script `GMXRC` in the `bin`
687 subdirectory of the installation directory
688 (e.g. `/usr/local/gromacs/bin/GMXRC`), which you should source
689 from your shell:
690
691     $ source /your/installation/prefix/here/bin/GMXRC
692
693 It will detect what kind of shell you are running and set up your
694 environment for using GROMACS. You may wish to arrange for your
695 login scripts to do this automatically; please search the web for
696 instructions on how to do this for your shell. 
697
698 Many of the GROMACS programs rely on data installed in the
699 `share/gromacs` subdirectory of the installation directory. By
700 default, the programs will use the environment variables set in the
701 `GMXRC` script, and if this is not available they will try to guess the
702 path based on their own location.  This usually works well unless you
703 change the names of directories inside the install tree. If you still
704 need to do that, you might want to recompile with the new install
705 location properly set, or edit the `GMXRC` script.
706
707 ## Testing GROMACS for correctness ##
708
709 Since 2011, the GROMACS development uses an automated system where
710 every new code change is subject to regression testing on a number of
711 platforms and software combinations. While this improves
712 reliability quite a lot, not everything is tested, and since we
713 increasingly rely on cutting edge compiler features there is
714 non-negligible risk that the default compiler on your system could
715 have bugs. We have tried our best to test and refuse to use known bad
716 versions in `cmake`, but we strongly recommend that you run through
717 the tests yourself. It only takes a few minutes, after which you can
718 trust your build.
719
720 The simplest way to run the checks is to build GROMACS with
721 `-DREGRESSIONTEST_DOWNLOAD`, and run `make check`.
722 GROMACS will automatically download and run the tests for you.
723 Alternatively, you can download and unpack the tarball yourself from
724 <http://gerrit.gromacs.org/download/regressiontests-@REGRESSIONTEST_VERSION@.tar.gz>,
725 and use the advanced `cmake` option `REGRESSIONTEST_PATH` to
726 specify the path to the unpacked tarball, which will then be used for
727 testing. If the above does not work, then please read on.
728
729 The regression tests are available from the GROMACS website and ftp
730 site.  Once you have downloaded them, unpack the tarball, source
731 `GMXRC` as described above, and run `./gmxtest.pl all`
732 inside the regression tests folder. You can find more options
733 (e.g. adding `double` when using double precision, or
734 `-only expanded` to run just the tests whose names match
735 "expanded") if you just execute the script without options.
736
737 Hopefully, you will get a report that all tests have passed. If there
738 are individual failed tests it could be a sign of a compiler bug, or
739 that a tolerance is just a tiny bit too tight. Check the output files
740 the script directs you too, and try a different or newer compiler if
741 the errors appear to be real. If you cannot get it to pass the
742 regression tests, you might try dropping a line to the gmx-users
743 mailing list, but then you should include a detailed description of
744 your hardware, and the output of `mdrun -version` (which contains
745 valuable diagnostic information in the header).
746
747 A build with `-DGMX_BUILD_MDRUN_ONLY` cannot be tested with
748 `make check` from the build tree, because most of the tests
749 require a full build to run things like `grompp`. To test such an
750 mdrun fully requires installing it to the same location as a normal
751 build of GROMACS, downloading the regression tests tarball manually
752 as described above, sourcing the correct `GMXRC` and running the
753 perl script manually. For example, from your GROMACS source
754 directory:
755
756     $ mkdir build-normal
757     $ cd build-normal
758     $ cmake .. -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/your/installation/prefix/here
759     $ make -j 4
760     $ make install
761     $ cd ..
762     $ mkdir build-mdrun-only
763     $ cd build-mdrun-only
764     $ cmake .. -DGMX_MPI=ON -DGMX_GPU=ON -DGMX_BUILD_MDRUN_ONLY=ON -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=/your/installation/prefix/here
765     $ make -j 4
766     $ make install
767     $ cd /to/your/unpacked/regressiontests
768     $ source /your/installation/prefix/here/bin/GMXRC
769     $ ./gmxtest.pl all -np 2
770
771 If your `mdrun` program has been suffixed in a non-standard way, then
772 the `./gmxtest.pl -mdrun` option will let you specify that name to the
773 test machinery. You can use `./gmxtest.pl -double` to test the
774 double-precision version. You can use `./gmxtest.pl -crosscompiling`
775 to stop the test harness attempting to check that the programs can
776 be run.
777
778
779 ## Testing GROMACS for performance ##
780 We are still working on a set of benchmark systems for testing
781 the performance of GROMACS. Until that is ready, we recommend that
782 you try a few different parallelization options, and experiment with
783 tools such as `gmx tune_pme`.
784
785 ## Having difficulty? ##
786 You are not alone - this can be a complex task! If you encounter a
787 problem with installing GROMACS, then there are a number of
788 locations where you can find assistance. It is recommended that you
789 follow these steps to find the solution:
790
791 1. Read the installation instructions again, taking note that you
792    have followed each and every step correctly.
793
794 2. Search the GROMACS website and users emailing list for information
795    on the error. Adding
796    "site:https://mailman-1.sys.kth.se/pipermail/gromacs.org_gmx-users"
797    to a Google search may help filter better results.
798
799 3. Search the internet using a search engine such as Google.
800
801 4. Post to the GROMACS users emailing list gmx-users for
802    assistance. Be sure to give a full description of what you have
803    done and why you think it did not work. Give details about the
804    system on which you are installing.  Copy and paste your command
805    line and as much of the output as you think might be relevant -
806    certainly from the first indication of a problem. In particular,
807    please try to include at least the header from the mdrun logfile,
808    and preferably the entire file.  People who might volunteer to help
809    you do not have time to ask you interactive detailed follow-up
810    questions, so you will get an answer faster if you provide as much
811    information as you think could possibly help. High quality bug
812    reports tend to receive rapid high quality answers.
813
814 # Special instructions for some platforms #
815
816 ## Building on Windows ##
817
818 Building on Windows using native compilers is rather similar to
819 building on Unix, so please start by reading the above. Then, download
820 and unpack the GROMACS source archive. Make a folder in which to do
821 the out-of-source build of GROMACS. For example, make it within the
822 folder unpacked from the source archive, and call it `build-gromacs`.
823
824 For CMake, you can either use the graphical user interface provided on
825 Windows, or you can use a command line shell with instructions similar
826 to the UNIX ones above. If you open a shell from within your IDE
827 (e.g. Microsoft Visual Studio), it will configure the environment for
828 you, but you might need to tweak this in order to get either a 32-bit
829 or 64-bit build environment. The latter provides the fastest
830 executable. If you use a normal Windows command shell, then you will
831 need to either set up the environment to find your compilers and
832 libraries yourself, or run the `vcvarsall.bat` batch script provided
833 by MSVC (just like sourcing a bash script under Unix).
834
835 With the graphical user interface, you will be asked about what
836 compilers to use at the initial configuration stage, and if you use
837 the command line they can be set in a similar way as under UNIX. You
838 will probably make your life easier and faster by using the new
839 facility to download and install FFTW automatically.
840
841 For the build, you can either load the generated solutions file into
842 e.g. Visual Studio, or use the command line with `cmake --build` so
843 the right tools get used.
844
845 ## Building on Cray ##
846
847 GROMACS builds mostly out of the box on modern Cray machines, but
848 * you may need to specify the use of static or dynamic libraries
849   (depending on the machine) with `-DBUILD_SHARED_LIBS=off`,
850 * you may need to set the F77 environmental variable to `ftn` when
851   compiling FFTW,
852 * you may need to use `-DCMAKE_SKIP_RPATH=YES`, and
853 * you may need to modify the CMakeLists.txt files to specify the
854   `BUILD_SEARCH_END_STATIC` target property.
855
856 ## Building on BlueGene ##
857
858 ### BlueGene/Q ###
859
860 There is currently native acceleration on this platform for the Verlet
861 cut-off scheme. There are no plans to provide accelerated kernels for
862 the group cut-off scheme, but the default plain C kernels will work
863 (slowly).
864
865 Only static linking with XL compilers is supported by GROMACS. Dynamic
866 linking would be supported by the architecture and GROMACS, but has no
867 advantages other than disk space, and is generally discouraged on
868 BlueGene for performance reasons.
869
870 Computation on BlueGene floating-point units is always done in
871 double-precision. However, mixed-precision builds of GROMACS are still
872 normal and encouraged since they use cache more efficiently. The
873 BlueGene hardware automatically converts values stored in single
874 precision in memory to double precision in registers for computation,
875 converts the results back to single precision correctly, and does so
876 for no additional cost. As with other platforms, doing the whole
877 computation in double precision normally shows no improvement in
878 accuracy and costs twice as much time moving memory around.
879
880 You need to arrange for FFTW to be installed correctly, following the
881 above instructions.
882
883 `mpicc` is used for compiling and linking. This can make it awkward to
884 attempt to use IBM's optimized BLAS/LAPACK called ESSL (see the
885 section on
886 [linear algebra libraries](#linear-algebra-libraries)). Since mdrun is
887 the only part of GROMACS that should normally run on the compute
888 nodes, and there is nearly no need for linear algebra support for
889 mdrun, it is recommended to use the GROMACS built-in linear algebra
890 routines - it is rare for this to run slowly.
891
892 The recommended configuration is to use
893
894     cmake .. -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=Platform/BlueGeneQ-static-XL-CXX \
895              -DCMAKE_PREFIX_PATH=/your/fftw/installation/prefix \
896              -DGMX_MPI=ON \
897              -DGMX_BUILD_MDRUN_ONLY=ON
898     make
899     make install
900
901 which will build a statically-linked MPI-enabled mdrun for the compute
902 nodes. Otherwise, GROMACS default configuration behaviour applies.
903
904 It is possible to configure and make the remaining GROMACS tools with
905 the compute-node toolchain, but as none of those tools are MPI-aware
906 and could then only run on the compute nodes, this would not normally
907 be useful. Instead, these should be planned to run on the login node,
908 and a separate GROMACS installation performed for that using the login
909 node's toolchain - not the above platform file, or any other
910 compute-node toolchain.
911
912 Note that only the MPI build is available for the compute-node
913 toolchains. The GROMACS thread-MPI or no-MPI builds are not useful at
914 all on BlueGene/Q.
915
916 ### BlueGene/P ###
917
918 There is currently no SIMD support on this platform and no plans to
919 add it. The default plain C kernels will work.
920
921 ### Fujitsu PRIMEHPC ###
922
923 This is the architecture of the K computer, which uses Fujitsu
924 `Sparc64VIIIfx` chips. On this platform, GROMACS @PROJECT_VERSION@ has
925 accelerated group kernels, no accelerated Verlet kernels, and a custom
926 build toolchain.
927
928 ### Intel Xeon Phi ###
929
930 GROMACS @PROJECT_VERSION@ has preliminary support for Intel Xeon Phi. Only symmetric
931 (aka native) mode is supported. GROMACS is functional on Xeon Phi, but
932 it has so far not been optimized to the same level as other
933 architectures have. The performance depends among other factors on the
934 system size, and for
935 now the performance might not be faster than CPUs. Building for Xeon
936 Phi works almost as any other Unix. See the instructions above for
937 details. The recommended configuration is
938
939     cmake .. -DCMAKE_TOOLCHAIN_FILE=Platform/XeonPhi
940     make
941     make install
942
943 # Tested platforms #
944
945 While it is our best belief that GROMACS will build and run pretty
946 much everywhere, it is important that we tell you where we really know
947 it works because we have tested it. We do test on Linux, Windows, and
948 Mac with a range of compilers and libraries for a range of our
949 configuration options. Every commit in our git source code repository
950 is currently tested on x86 with gcc versions ranging from 4.4 through
951 4.7, and versions 12 and 13 of the Intel compiler as well as Clang
952 version 3.1 through 3.4. For this, we use a variety of GNU/Linux
953 flavors and versions as well as recent version of Mac OS X.  Under
954 Windows we test both MSVC and the Intel compiler. For details, you can
955 have a look at the continuous integration server at
956 <http://jenkins.gromacs.org>.
957
958 We test irregularly on ARM v7, BlueGene/Q, Cray, Fujitsu PRIMEHPC, Google
959 Native Client and other environments, and with other compilers and
960 compiler versions, too.