src/gromacs/domdec/domdec.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2005,2006,2007,2008,2009,2010,2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source 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 /*! \defgroup module_domdec Spatial domain decomposition (for parallelization over MPI)
  36  * \ingroup group_mdrun
  37  *
  38  * \brief Manages the decomposition of the simulation volume over MPI
  39  * ranks to try to distribute work evenly with minimal communication
  40  * overheads.
  41  *
  42  * \todo Get domdec stuff out of mdtypes/commrec.h
  43  *
  44  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  45  *
  46  */
  47
  48 /*! \libinternal \file
  49  *
  50  * \brief This file declares functions for mdrun to call to manage the
  51  * details of its domain decomposition.
  52  *
  53  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  54  * \inlibraryapi
  55  * \ingroup module_domdec
  56  */
  57
  58 #ifndef GMX_DOMDEC_DOMDEC_H
  59 #define GMX_DOMDEC_DOMDEC_H
  60
  61 #include <vector>
  62
  63 #include "gromacs/math/paddedvector.h"
  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 gmx_domdec_t;
  71 struct gmx_ddbox_t;
  72 struct gmx_domdec_zones_t;
  73 struct gmx_localtop_t;
  74 struct gmx_mtop_t;
  75 struct gmx_vsite_t;
  76 struct MdrunOptions;
  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 Constraints;
  90 class MDAtoms;
  91 } // namespace
  92
  93 /*! \brief Returns the global topology atom number belonging to local atom index i.
  94  *
  95  * This function is intended for writing ASCII output
  96  * and returns atom numbers starting at 1.
  97  * When dd=NULL returns i+1.
  98  */
  99 int ddglatnr(const gmx_domdec_t *dd, int i);
 100
 101 /*! \brief Return a block struct for the charge groups of the whole system */
 102 t_block *dd_charge_groups_global(struct gmx_domdec_t *dd);
 103
 104 /*! \brief Store the global cg indices of the home cgs in state,
 105  *
 106  * This means it can be reset, even after a new DD partitioning.
 107  */
 108 void dd_store_state(struct gmx_domdec_t *dd, t_state *state);
 109
 110 /*! \brief Returns a pointer to the gmx_domdec_zones_t struct */
 111 struct gmx_domdec_zones_t *domdec_zones(struct gmx_domdec_t *dd);
 112
 113 /*! \brief Sets the j-charge-group range for i-charge-group \p icg */
 114 void dd_get_ns_ranges(const gmx_domdec_t *dd, int icg,
 115                       int *jcg0, int *jcg1, ivec shift0, ivec shift1);
 116
 117 /*! \brief Returns the number of home atoms */
 118 int dd_numHomeAtoms(const gmx_domdec_t &dd);
 119
 120 /*! \brief Returns the atom range in the local state for atoms that need to be present in mdatoms */
 121 int dd_natoms_mdatoms(const gmx_domdec_t *dd);
 122
 123 /*! \brief Returns the atom range in the local state for atoms involved in virtual sites */
 124 int dd_natoms_vsite(const gmx_domdec_t *dd);
 125
 126 /*! \brief Sets the atom range for atom in the local state for atoms received in constraints communication */
 127 void dd_get_constraint_range(const gmx_domdec_t *dd,
 128                              int *at_start, int *at_end);
 129
 130 /*! \libinternal \brief Struct for passing around the number of PME domains */
 131 struct NumPmeDomains
 132 {
 133     int x; //!< The number of PME domains along dimension x
 134     int y; //!< The number of PME domains along dimension y
 135 };
 136
 137 /*! \brief Returns the number of PME domains, can be called with dd=NULL */
 138 NumPmeDomains getNumPmeDomains(const gmx_domdec_t *dd);
 139
 140 /*! \brief Returns the set of DD ranks that communicate with pme node cr->nodeid */
 141 std::vector<int> get_pme_ddranks(const t_commrec *cr, int pmenodeid);
 142
 143 /*! \brief Returns the maximum shift for coordinate communication in PME, dim x */
 144 int dd_pme_maxshift_x(const gmx_domdec_t *dd);
 145
 146 /*! \brief Returns the maximum shift for coordinate communication in PME, dim y */
 147 int dd_pme_maxshift_y(const gmx_domdec_t *dd);
 148
 149 /*! \brief The options for the domain decomposition MPI task ordering. */
 150 enum class DdRankOrder
 151 {
 152     select,     //!< First value (needed to cope with command-line parsing)
 153     interleave, //!< Interleave the PP and PME ranks
 154     pp_pme,     //!< First all PP ranks, all PME rank at the end
 155     cartesian,  //!< Use Cartesian communicators for PP, PME and PP-PME
 156     nr          //!< The number of options
 157 };
 158
 159 /*! \brief The options for the dynamic load balancing. */
 160 enum class DlbOption
 161 {
 162     select,           //!< First value (needed to cope with command-line parsing)
 163     turnOnWhenUseful, //!< Turn on DLB when we think it would improve performance
 164     no,               //!< Never turn on DLB
 165     yes,              //!< Turn on DLB from the start and keep it on
 166     nr                //!< The number of options
 167 };
 168
 169 /*! \libinternal \brief Structure containing all (command line) options for the domain decomposition */
 170 struct DomdecOptions
 171 {
 172     /*! \brief Constructor */
 173     DomdecOptions();
 174
 175     //! If true, check that all bonded interactions have been assigned to exactly one domain/rank.
 176     gmx_bool          checkBondedInteractions;
 177     //! If true, don't communicate all atoms between the non-bonded cut-off and the larger bonded cut-off, but only those that have non-local bonded interactions. This significantly reduces the communication volume.
 178     gmx_bool          useBondedCommunication;
 179     //! The domain decomposition grid cell count, 0 means let domdec choose based on the number of ranks.
 180     ivec              numCells;
 181     //! The number of separate PME ranks requested, -1 = auto.
 182     int               numPmeRanks;
 183     //! Ordering of the PP and PME ranks, values from enum above.
 184     DdRankOrder       rankOrder;
 185     //! The minimum communication range, used for extended the communication range for bonded interactions (nm).
 186     real              minimumCommunicationRange;
 187     //! Communication range for atom involved in constraints (P-LINCS) (nm).
 188     real              constraintCommunicationRange;
 189     //! Dynamic load balancing option, values from enum above.
 190     DlbOption         dlbOption;
 191     /*! \brief Fraction in (0,1) by whose reciprocal the initial
 192      * DD cell size will be increased in order to provide a margin
 193      * in which dynamic load balancing can act, while preserving
 194      * the minimum cell size. */
 195     real              dlbScaling;
 196     //! String containing a vector of the relative sizes in the x direction of the corresponding DD cells.
 197     const char       *cellSizeX;
 198     //! String containing a vector of the relative sizes in the y direction of the corresponding DD cells.
 199     const char       *cellSizeY;
 200     //! String containing a vector of the relative sizes in the z direction of the corresponding DD cells.
 201     const char       *cellSizeZ;
 202 };
 203
 204 /*! \brief Initialized the domain decomposition, chooses the DD grid and PME ranks, return the DD struct */
 205 gmx_domdec_t *
 206 init_domain_decomposition(FILE                           *fplog,
 207                           t_commrec                      *cr,
 208                           const DomdecOptions            &options,
 209                           const MdrunOptions             &mdrunOptions,
 210                           const gmx_mtop_t               *mtop,
 211                           const t_inputrec               *ir,
 212                           const matrix                    box,
 213                           gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  xGlobal);
 214
 215 /*! \brief Initialize data structures for bonded interactions */
 216 void dd_init_bondeds(FILE              *fplog,
 217                      gmx_domdec_t      *dd,
 218                      const gmx_mtop_t  *mtop,
 219                      const gmx_vsite_t *vsite,
 220                      const t_inputrec  *ir,
 221                      gmx_bool           bBCheck,
 222                      cginfo_mb_t       *cginfo_mb);
 223
 224 /*! \brief Returns if we need to do pbc for calculating bonded interactions */
 225 gmx_bool dd_bonded_molpbc(const gmx_domdec_t *dd, int ePBC);
 226
 227 /*! \brief Change the DD non-bonded communication cut-off.
 228  *
 229  * This could fail when trying to increase the cut-off,
 230  * then FALSE will be returned and the cut-off is not modified.
 231  */
 232 gmx_bool change_dd_cutoff(struct t_commrec *cr,
 233                           t_state *state, const t_inputrec *ir,
 234                           real cutoff_req );
 235
 236 /*! \brief Limit DLB to preserve the option of returning to the current cut-off.
 237  *
 238  * Domain boundary changes due to the DD dynamic load balancing can limit
 239  * the cut-off distance that can be set in change_dd_cutoff. This function
 240  * sets/changes the DLB limit such that using the passed (pair-list) cut-off
 241  * should still be possible after subsequently setting a shorter cut-off
 242  * with change_dd_cutoff.
 243  */
 244 void set_dd_dlb_max_cutoff(struct t_commrec *cr, real cutoff);
 245
 246 /*! \brief Return if we are currently using dynamic load balancing */
 247 gmx_bool dd_dlb_is_on(const struct gmx_domdec_t *dd);
 248
 249 /*! \brief Return if the DLB lock is set */
 250 gmx_bool dd_dlb_is_locked(const struct gmx_domdec_t *dd);
 251
 252 /*! \brief Set a lock such that with DLB=auto DLB cannot get turned on */
 253 void dd_dlb_lock(struct gmx_domdec_t *dd);
 254
 255 /*! \brief Clear a lock such that with DLB=auto DLB may get turned on later */
 256 void dd_dlb_unlock(struct gmx_domdec_t *dd);
 257
 258 /*! \brief Set up communication for averaging GPU wait times over domains
 259  *
 260  * When domains (PP MPI ranks) share a GPU, the individual GPU wait times
 261  * are meaningless, as it depends on the order in which tasks on the same
 262  * GPU finish. Therefore there wait times need to be averaged over the ranks
 263  * sharing the same GPU. This function sets up the communication for that.
 264  */
 265 void dd_setup_dlb_resource_sharing(t_commrec           *cr,
 266                                    int                  gpu_id);
 267
 268 /*! \brief Cycle counter indices used internally in the domain decomposition */
 269 enum {
 270     ddCyclStep, ddCyclPPduringPME, ddCyclF, ddCyclWaitGPU, ddCyclPME, ddCyclNr
 271 };
 272
 273 /*! \brief Add the wallcycle count to the DD counter */
 274 void dd_cycles_add(const gmx_domdec_t *dd, float cycles, int ddCycl);
 275
 276 /*! \brief Start the force flop count */
 277 void dd_force_flop_start(struct gmx_domdec_t *dd, t_nrnb *nrnb);
 278
 279 /*! \brief Stop the force flop count */
 280 void dd_force_flop_stop(struct gmx_domdec_t *dd, t_nrnb *nrnb);
 281
 282 /*! \brief Return the PME/PP force load ratio, or -1 if nothing was measured.
 283  *
 284  * Should only be called on the DD master node.
 285  */
 286 float dd_pme_f_ratio(struct gmx_domdec_t *dd);
 287
 288 /*! \brief Communicate the coordinates to the neighboring cells and do pbc. */
 289 void dd_move_x(struct gmx_domdec_t      *dd,
 290                matrix                    box,
 291                gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  x,
 292                gmx_wallcycle            *wcycle);
 293
 294 /*! \brief Sum the forces over the neighboring cells.
 295  *
 296  * When fshift!=NULL the shift forces are updated to obtain
 297  * the correct virial from the single sum including f.
 298  */
 299 void dd_move_f(struct gmx_domdec_t      *dd,
 300                gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  f,
 301                rvec                     *fshift,
 302                gmx_wallcycle            *wcycle);
 303
 304 /*! \brief Communicate a real for each atom to the neighboring cells. */
 305 void dd_atom_spread_real(struct gmx_domdec_t *dd, real v[]);
 306
 307 /*! \brief Sum the contributions to a real for each atom over the neighboring cells. */
 308 void dd_atom_sum_real(struct gmx_domdec_t *dd, real v[]);
 309
 310 /*! \brief Partition the system over the nodes.
 311  *
 312  * step is only used for printing error messages.
 313  * If bMasterState==TRUE then state_global from the master node is used,
 314  * else state_local is redistributed between the nodes.
 315  * When f!=NULL, *f will be reallocated to the size of state_local.
 316  */
 317 void dd_partition_system(FILE                *fplog,
 318                          gmx_int64_t          step,
 319                          const t_commrec     *cr,
 320                          gmx_bool             bMasterState,
 321                          int                  nstglobalcomm,
 322                          t_state             *state_global,
 323                          const gmx_mtop_t    *top_global,
 324                          const t_inputrec    *ir,
 325                          t_state             *state_local,
 326                          PaddedRVecVector    *f,
 327                          gmx::MDAtoms        *mdatoms,
 328                          gmx_localtop_t      *top_local,
 329                          t_forcerec          *fr,
 330                          gmx_vsite_t         *vsite,
 331                          gmx::Constraints    *constr,
 332                          t_nrnb              *nrnb,
 333                          gmx_wallcycle       *wcycle,
 334                          gmx_bool             bVerbose);
 335
 336 /*! \brief Reset all the statistics and counters for total run counting */
 337 void reset_dd_statistics_counters(struct gmx_domdec_t *dd);
 338
 339 /*! \brief Print statistics for domain decomposition communication */
 340 void print_dd_statistics(const t_commrec *cr, const t_inputrec *ir, FILE *fplog);
 341
 342 /*! \brief Check whether bonded interactions are missing, if appropriate
 343  *
 344  * \param[in]    fplog                                  Log file pointer
 345  * \param[in]    cr                                     Communication object
 346  * \param[in]    totalNumberOfBondedInteractions        Result of the global reduction over the number of bonds treated in each domain
 347  * \param[in]    top_global                             Global topology for the error message
 348  * \param[in]    top_local                              Local topology for the error message
 349  * \param[in]    state                                  Global state for the error message
 350  * \param[inout] shouldCheckNumberOfBondedInteractions  Whether we should do the check.
 351  *
 352  * \return Nothing, except that shouldCheckNumberOfBondedInteractions
 353  * is always set to false after exit.
 354  */
 355 void checkNumberOfBondedInteractions(FILE                 *fplog,
 356                                      t_commrec            *cr,
 357                                      int                   totalNumberOfBondedInteractions,
 358                                      const gmx_mtop_t     *top_global,
 359                                      const gmx_localtop_t *top_local,
 360                                      const t_state        *state,
 361                                      bool                 *shouldCheckNumberOfBondedInteractions);
 362
 363 /* In domdec_con.c */
 364
 365 /*! \brief Communicates the virtual site forces, reduces the shift forces when \p fshift != NULL */
 366 void dd_move_f_vsites(struct gmx_domdec_t *dd, rvec *f, rvec *fshift);
 367
 368 /*! \brief Clears the forces for virtual sites */
 369 void dd_clear_f_vsites(struct gmx_domdec_t *dd, rvec *f);
 370
 371 /*! \brief Move x0 and also x1 if x1!=NULL. bX1IsCoord tells if to do PBC on x1 */
 372 void dd_move_x_constraints(struct gmx_domdec_t *dd, matrix box,
 373                            rvec *x0, rvec *x1, gmx_bool bX1IsCoord);
 374
 375 /*! \brief Communicates the coordinates involved in virtual sites */
 376 void dd_move_x_vsites(struct gmx_domdec_t *dd, const matrix box, rvec *x);
 377
 378 /*! \brief Returns the local atom count array for all constraints
 379  *
 380  * The local atom count for a constraint, possible values 2/1/0, is needed
 381  * to avoid not/double-counting contributions linked to the Lagrange
 382  * multiplier, such as the virial and free-energy derivatives.
 383  *
 384  * \note When \p dd = nullptr, an empty reference is returned.
 385  */
 386 gmx::ArrayRef<const int> dd_constraints_nlocalatoms(const gmx_domdec_t *dd);
 387
 388 /* In domdec_top.c */
 389
 390 /*! \brief Print error output when interactions are missing */
 391 [[ noreturn ]]
 392 void dd_print_missing_interactions(FILE *fplog, struct t_commrec *cr,
 393                                    int local_count,
 394                                    const gmx_mtop_t *top_global,
 395                                    const gmx_localtop_t *top_local,
 396                                    const t_state *state_local);
 397
 398 /*! \brief Generate and store the reverse topology */
 399 void dd_make_reverse_top(FILE *fplog,
 400                          gmx_domdec_t *dd, const gmx_mtop_t *mtop,
 401                          const gmx_vsite_t *vsite,
 402                          const t_inputrec *ir, gmx_bool bBCheck);
 403
 404 /*! \brief Store the local charge group index in \p lcgs */
 405 void dd_make_local_cgs(struct gmx_domdec_t *dd, t_block *lcgs);
 406
 407 /*! \brief Generate the local topology and virtual site data */
 408 void dd_make_local_top(struct gmx_domdec_t *dd, struct gmx_domdec_zones_t *zones,
 409                        int npbcdim, matrix box,
 410                        rvec cellsize_min, const ivec npulse,
 411                        t_forcerec *fr,
 412                        rvec *cgcm_or_x,
 413                        gmx_vsite_t *vsite,
 414                        const gmx_mtop_t *top, gmx_localtop_t *ltop);
 415
 416 /*! \brief Sort ltop->ilist when we are doing free energy. */
 417 void dd_sort_local_top(gmx_domdec_t *dd, const t_mdatoms *mdatoms,
 418                        gmx_localtop_t *ltop);
 419
 420 /*! \brief Construct local topology */
 421 gmx_localtop_t *dd_init_local_top(const gmx_mtop_t *top_global);
 422
 423 /*! \brief Construct local state */
 424 void dd_init_local_state(struct gmx_domdec_t *dd,
 425                          t_state *state_global, t_state *local_state);
 426
 427 /*! \brief Generate a list of links between charge groups that are linked by bonded interactions */
 428 t_blocka *make_charge_group_links(const gmx_mtop_t *mtop, gmx_domdec_t *dd,
 429                                   cginfo_mb_t *cginfo_mb);
 430
 431 /*! \brief Calculate the maximum distance involved in 2-body and multi-body bonded interactions */
 432 void dd_bonded_cg_distance(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 433                            const t_inputrec *ir,
 434                            const rvec *x, const matrix box,
 435                            gmx_bool bBCheck,
 436                            real *r_2b, real *r_mb);
 437
 438 /*! \brief Dump a pdb file with the current DD home + communicated atoms.
 439  *
 440  * When natoms=-1, dump all known atoms.
 441  */
 442 void write_dd_pdb(const char *fn, gmx_int64_t step, const char *title,
 443                   const gmx_mtop_t *mtop,
 444                   const t_commrec *cr,
 445                   int natoms, const rvec x[], const matrix box);
 446
 447
 448 /* In domdec_setup.c */
 449
 450 /*! \brief Returns the volume fraction of the system that is communicated */
 451 real comm_box_frac(const ivec dd_nc, real cutoff, const gmx_ddbox_t *ddbox);
 452
 453 /*! \brief Determines the optimal DD cell setup dd->nc and possibly npmenodes
 454  * for the system.
 455  *
 456  * On the master node returns the actual cellsize limit used.
 457  */
 458 real dd_choose_grid(FILE *fplog,
 459                     t_commrec *cr, gmx_domdec_t *dd,
 460                     const t_inputrec *ir,
 461                     const gmx_mtop_t *mtop,
 462                     const matrix box, const gmx_ddbox_t *ddbox,
 463                     int nPmeRanks,
 464                     gmx_bool bDynLoadBal, real dlb_scale,
 465                     real cellsize_limit, real cutoff_dd,
 466                     gmx_bool bInterCGBondeds);
 467
 468
 469 /* In domdec_box.c */
 470
 471 /*! \brief Set the box and PBC data in \p ddbox */
 472 void set_ddbox(gmx_domdec_t *dd, bool masterRankHasTheSystemState,
 473                const t_inputrec *ir, const matrix box,
 474                bool calculateUnboundedSize,
 475                gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
 476                gmx_ddbox_t *ddbox);
 477
 478 /*! \brief Set the box and PBC data in \p ddbox */
 479 void set_ddbox_cr(const t_commrec *cr, const ivec *dd_nc,
 480                   const t_inputrec *ir, const matrix box,
 481                   gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
 482                   gmx_ddbox_t *ddbox);
 483
 484 #endif