src/gromacs/domdec/domdec.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2005 - 2014, The GROMACS development team.
   5  * Copyright (c) 2015,2016,2017,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
   6  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   7  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   8  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   9  *
  10  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  12  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  13  * of the License, or (at your option) any later version.
  14  *
  15  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  * Lesser General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  21  * License along with GROMACS; if not, see
  22  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  23  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  24  *
  25  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  26  * consider that scientific software is very special. Version
  27  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  28  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  29  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  30  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  31  * official version at http://www.gromacs.org.
  32  *
  33  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  34  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  35  */
  36 /*! \defgroup module_domdec Spatial domain decomposition (for parallelization over MPI)
  37  * \ingroup group_mdrun
  38  *
  39  * \brief Manages the decomposition of the simulation volume over MPI
  40  * ranks to try to distribute work evenly with minimal communication
  41  * overheads.
  42  *
  43  * \todo Get domdec stuff out of mdtypes/commrec.h
  44  *
  45  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  46  *
  47  */
  48
  49 /*! \libinternal \file
  50  *
  51  * \brief This file declares functions for mdrun to call to manage the
  52  * details of its domain decomposition.
  53  *
  54  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  55  * \inlibraryapi
  56  * \ingroup module_domdec
  57  */
  58
  59 #ifndef GMX_DOMDEC_DOMDEC_H
  60 #define GMX_DOMDEC_DOMDEC_H
  61
  62 #include <vector>
  63
  64 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  65 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  66 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  67 #include "gromacs/utility/real.h"
  68
  69 struct cginfo_mb_t;
  70 struct DDSystemInfo;
  71 struct gmx_domdec_t;
  72 struct gmx_ddbox_t;
  73 struct gmx_domdec_zones_t;
  74 struct gmx_localtop_t;
  75 struct gmx_mtop_t;
  76 struct gmx_vsite_t;
  77 struct t_block;
  78 struct t_blocka;
  79 struct t_commrec;
  80 struct t_forcerec;
  81 struct t_inputrec;
  82 struct t_mdatoms;
  83 struct t_nrnb;
  84 struct gmx_wallcycle;
  85 class t_state;
  86
  87 namespace gmx
  88 {
  89 class ForceWithShiftForces;
  90 class MDLogger;
  91 class LocalAtomSetManager;
  92 class RangePartitioning;
  93 struct DomdecOptions;
  94 struct MdrunOptions;
  95 } // namespace
  96
  97 /*! \brief Returns the global topology atom number belonging to local atom index i.
  98  *
  99  * This function is intended for writing ASCII output
 100  * and returns atom numbers starting at 1.
 101  * When dd=NULL returns i+1.
 102  */
 103 int ddglatnr(const gmx_domdec_t *dd, int i);
 104
 105 /*! \brief Return a block struct for the charge groups of the whole system */
 106 t_block *dd_charge_groups_global(struct gmx_domdec_t *dd);
 107
 108 /*! \brief Returns a list of update group partitioning for each molecule type or empty when update groups are not used */
 109 gmx::ArrayRef<const gmx::RangePartitioning> getUpdateGroupingPerMoleculetype(const gmx_domdec_t &dd);
 110
 111 /*! \brief Store the global cg indices of the home cgs in state,
 112  *
 113  * This means it can be reset, even after a new DD partitioning.
 114  */
 115 void dd_store_state(struct gmx_domdec_t *dd, t_state *state);
 116
 117 /*! \brief Returns a pointer to the gmx_domdec_zones_t struct */
 118 struct gmx_domdec_zones_t *domdec_zones(struct gmx_domdec_t *dd);
 119
 120 /*! \brief Sets the j-charge-group range for i-charge-group \p icg */
 121 void dd_get_ns_ranges(const gmx_domdec_t *dd, int icg,
 122                       int *jcg0, int *jcg1, ivec shift0, ivec shift1);
 123
 124 /*! \brief Returns the number of home atoms */
 125 int dd_numHomeAtoms(const gmx_domdec_t &dd);
 126
 127 /*! \brief Returns the atom range in the local state for atoms that need to be present in mdatoms */
 128 int dd_natoms_mdatoms(const gmx_domdec_t *dd);
 129
 130 /*! \brief Returns the atom range in the local state for atoms involved in virtual sites */
 131 int dd_natoms_vsite(const gmx_domdec_t *dd);
 132
 133 /*! \brief Sets the atom range for atom in the local state for atoms received in constraints communication */
 134 void dd_get_constraint_range(const gmx_domdec_t *dd,
 135                              int *at_start, int *at_end);
 136
 137 /*! \libinternal \brief Struct for passing around the number of PME domains */
 138 struct NumPmeDomains
 139 {
 140     int x; //!< The number of PME domains along dimension x
 141     int y; //!< The number of PME domains along dimension y
 142 };
 143
 144 /*! \brief Returns the number of PME domains, can be called with dd=NULL */
 145 NumPmeDomains getNumPmeDomains(const gmx_domdec_t *dd);
 146
 147 /*! \brief Returns the set of DD ranks that communicate with pme node cr->nodeid */
 148 std::vector<int> get_pme_ddranks(const t_commrec *cr, int pmenodeid);
 149
 150 /*! \brief Returns the maximum shift for coordinate communication in PME, dim x */
 151 int dd_pme_maxshift_x(const gmx_domdec_t *dd);
 152
 153 /*! \brief Returns the maximum shift for coordinate communication in PME, dim y */
 154 int dd_pme_maxshift_y(const gmx_domdec_t *dd);
 155
 156 /*! \brief Initialized the domain decomposition, chooses the DD grid and PME ranks, return the DD struct */
 157 gmx_domdec_t *
 158 init_domain_decomposition(const gmx::MDLogger            &mdlog,
 159                           t_commrec                      *cr,
 160                           const gmx::DomdecOptions       &options,
 161                           const gmx::MdrunOptions        &mdrunOptions,
 162                           const gmx_mtop_t               *mtop,
 163                           const t_inputrec               *ir,
 164                           const matrix                    box,
 165                           gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  xGlobal,
 166                           gmx::LocalAtomSetManager       *atomSets);
 167
 168 /*! \brief Initialize data structures for bonded interactions */
 169 void dd_init_bondeds(FILE              *fplog,
 170                      gmx_domdec_t      *dd,
 171                      const gmx_mtop_t  *mtop,
 172                      const gmx_vsite_t *vsite,
 173                      const t_inputrec  *ir,
 174                      gmx_bool           bBCheck,
 175                      cginfo_mb_t       *cginfo_mb);
 176
 177 /*! \brief Returns if we need to do pbc for calculating bonded interactions */
 178 gmx_bool dd_bonded_molpbc(const gmx_domdec_t *dd, int ePBC);
 179
 180 /*! \brief Change the DD non-bonded communication cut-off.
 181  *
 182  * This could fail when trying to increase the cut-off,
 183  * then FALSE will be returned and the cut-off is not modified.
 184  *
 185  * \param[in] cr               Communication recrod
 186  * \param[in] state            State, used for computing the dimensions of the system
 187  * \param[in] cutoffRequested  The requested atom to atom cut-off distance, usually the pair-list cutoff distance
 188  */
 189 gmx_bool change_dd_cutoff(t_commrec     *cr,
 190                           const t_state &state,
 191                           real           cutoffRequested);
 192
 193 /*! \brief Set up communication for averaging GPU wait times over domains
 194  *
 195  * When domains (PP MPI ranks) share a GPU, the individual GPU wait times
 196  * are meaningless, as it depends on the order in which tasks on the same
 197  * GPU finish. Therefore there wait times need to be averaged over the ranks
 198  * sharing the same GPU. This function sets up the communication for that.
 199  */
 200 void dd_setup_dlb_resource_sharing(t_commrec           *cr,
 201                                    int                  gpu_id);
 202
 203 /*! \brief Cycle counter indices used internally in the domain decomposition */
 204 enum {
 205     ddCyclStep, ddCyclPPduringPME, ddCyclF, ddCyclWaitGPU, ddCyclPME, ddCyclNr
 206 };
 207
 208 /*! \brief Add the wallcycle count to the DD counter */
 209 void dd_cycles_add(const gmx_domdec_t *dd, float cycles, int ddCycl);
 210
 211 /*! \brief Communicate the coordinates to the neighboring cells and do pbc. */
 212 void dd_move_x(struct gmx_domdec_t      *dd,
 213                const matrix              box,
 214                gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  x,
 215                gmx_wallcycle            *wcycle);
 216
 217 /*! \brief Sum the forces over the neighboring cells.
 218  *
 219  * When fshift!=NULL the shift forces are updated to obtain
 220  * the correct virial from the single sum including f.
 221  */
 222 void dd_move_f(struct gmx_domdec_t       *dd,
 223                gmx::ForceWithShiftForces *forceWithShiftForces,
 224                gmx_wallcycle             *wcycle);
 225
 226 /*! \brief Communicate a real for each atom to the neighboring cells. */
 227 void dd_atom_spread_real(struct gmx_domdec_t *dd, real v[]);
 228
 229 /*! \brief Sum the contributions to a real for each atom over the neighboring cells. */
 230 void dd_atom_sum_real(struct gmx_domdec_t *dd, real v[]);
 231
 232 /*! \brief Reset all the statistics and counters for total run counting */
 233 void reset_dd_statistics_counters(struct gmx_domdec_t *dd);
 234
 235 /* In domdec_con.c */
 236
 237 /*! \brief Communicates the virtual site forces, reduces the shift forces when \p fshift != NULL */
 238 void dd_move_f_vsites(struct gmx_domdec_t *dd, rvec *f, rvec *fshift);
 239
 240 /*! \brief Clears the forces for virtual sites */
 241 void dd_clear_f_vsites(struct gmx_domdec_t *dd, rvec *f);
 242
 243 /*! \brief Move x0 and also x1 if x1!=NULL. bX1IsCoord tells if to do PBC on x1 */
 244 void dd_move_x_constraints(struct gmx_domdec_t *dd, matrix box,
 245                            rvec *x0, rvec *x1, gmx_bool bX1IsCoord);
 246
 247 /*! \brief Communicates the coordinates involved in virtual sites */
 248 void dd_move_x_vsites(struct gmx_domdec_t *dd, const matrix box, rvec *x);
 249
 250 /*! \brief Returns the local atom count array for all constraints
 251  *
 252  * The local atom count for a constraint, possible values 2/1/0, is needed
 253  * to avoid not/double-counting contributions linked to the Lagrange
 254  * multiplier, such as the virial and free-energy derivatives.
 255  *
 256  * \note When \p dd = nullptr, an empty reference is returned.
 257  */
 258 gmx::ArrayRef<const int> dd_constraints_nlocalatoms(const gmx_domdec_t *dd);
 259
 260 /* In domdec_top.c */
 261
 262 /*! \brief Print error output when interactions are missing */
 263 [[ noreturn ]]
 264 void dd_print_missing_interactions(const gmx::MDLogger  &mdlog,
 265                                    t_commrec            *cr,
 266                                    int                   local_count,
 267                                    const gmx_mtop_t     *top_global,
 268                                    const gmx_localtop_t *top_local,
 269                                    const rvec           *x,
 270                                    const matrix          box);
 271
 272 /*! \brief Generate and store the reverse topology */
 273 void dd_make_reverse_top(FILE *fplog,
 274                          gmx_domdec_t *dd, const gmx_mtop_t *mtop,
 275                          const gmx_vsite_t *vsite,
 276                          const t_inputrec *ir, gmx_bool bBCheck);
 277
 278 /*! \brief Generate the local topology and virtual site data */
 279 void dd_make_local_top(struct gmx_domdec_t       *dd,
 280                        struct gmx_domdec_zones_t *zones,
 281                        int                        npbcdim,
 282                        matrix                     box,
 283                        rvec                       cellsize_min,
 284                        const ivec                 npulse,
 285                        t_forcerec                *fr,
 286                        rvec                      *cgcm_or_x,
 287                        const gmx_mtop_t          &top,
 288                        gmx_localtop_t            *ltop);
 289
 290 /*! \brief Sort ltop->ilist when we are doing free energy. */
 291 void dd_sort_local_top(gmx_domdec_t *dd, const t_mdatoms *mdatoms,
 292                        gmx_localtop_t *ltop);
 293
 294 /*! \brief Initialize local topology
 295  *
 296  * \param[in] top_global Reference to global topology.
 297  * \param[in,out] top Pointer to new local topology
 298  */
 299 void dd_init_local_top(const gmx_mtop_t &top_global,
 300                        gmx_localtop_t   *top);
 301
 302 /*! \brief Construct local state */
 303 void dd_init_local_state(struct gmx_domdec_t *dd,
 304                          const t_state *state_global, t_state *local_state);
 305
 306 /*! \brief Generate a list of links between charge groups that are linked by bonded interactions */
 307 t_blocka *make_charge_group_links(const gmx_mtop_t *mtop, gmx_domdec_t *dd,
 308                                   cginfo_mb_t *cginfo_mb);
 309
 310 /*! \brief Calculate the maximum distance involved in 2-body and multi-body bonded interactions */
 311 void dd_bonded_cg_distance(const gmx::MDLogger &mdlog,
 312                            const gmx_mtop_t *mtop,
 313                            const t_inputrec *ir,
 314                            const rvec *x, const matrix box,
 315                            gmx_bool bBCheck,
 316                            real *r_2b, real *r_mb);
 317
 318
 319 /* In domdec_setup.c */
 320
 321 /*! \brief Returns the volume fraction of the system that is communicated */
 322 real comm_box_frac(const ivec dd_nc, real cutoff, const gmx_ddbox_t *ddbox);
 323
 324 struct DDSetup
 325 {
 326     int  numPmeRanks   = 0;
 327     ivec numDomains    = { 0, 0, 0 };
 328     real cellsizeLimit = 0;
 329 };
 330
 331 /*! \brief Determines the optimal DD cell setup dd->nc and possibly npmenodes
 332  * for the system.
 333  */
 334 DDSetup
 335 dd_choose_grid(const gmx::MDLogger &mdlog,
 336                const t_commrec *cr,
 337                const t_inputrec *ir,
 338                const gmx_mtop_t *mtop,
 339                const matrix box, const gmx_ddbox_t *ddbox,
 340                int numPmeRanksRequested,
 341                gmx_bool bDynLoadBal, real dlb_scale,
 342                const DDSystemInfo &systemInfo);
 343
 344 #endif