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) 2015,2016,2017,2018,2019,2020, 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 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 t_block;
  77 struct t_blocka;
  78 struct t_commrec;
  79 struct t_forcerec;
  80 struct t_inputrec;
  81 struct t_mdatoms;
  82 struct t_nrnb;
  83 struct gmx_wallcycle;
  84 class t_state;
  85
  86 namespace gmx
  87 {
  88 class ForceWithShiftForces;
  89 class MDLogger;
  90 class RangePartitioning;
  91 } // namespace gmx
  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 Returns a list of update group partitioning for each molecule type or empty when update groups are not used */
 102 gmx::ArrayRef<const gmx::RangePartitioning> getUpdateGroupingPerMoleculetype(const 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 Returns the range for atoms in zones*/
 114 int dd_numAtomsZones(const gmx_domdec_t& dd);
 115
 116 /*! \brief Returns the number of home atoms */
 117 int dd_numHomeAtoms(const gmx_domdec_t& dd);
 118
 119 /*! \brief Returns the atom range in the local state for atoms that need to be present in mdatoms */
 120 int dd_natoms_mdatoms(const gmx_domdec_t* dd);
 121
 122 /*! \brief Returns the atom range in the local state for atoms involved in virtual sites */
 123 int dd_natoms_vsite(const gmx_domdec_t* dd);
 124
 125 /*! \brief Sets the atom range for atom in the local state for atoms received in constraints communication */
 126 void dd_get_constraint_range(const gmx_domdec_t* dd, int* at_start, int* at_end);
 127
 128 /*! \libinternal \brief Struct for passing around the number of PME domains */
 129 struct NumPmeDomains
 130 {
 131     int x; //!< The number of PME domains along dimension x
 132     int y; //!< The number of PME domains along dimension y
 133 };
 134
 135 /*! \brief Returns the number of PME domains, can be called with dd=NULL */
 136 NumPmeDomains getNumPmeDomains(const gmx_domdec_t* dd);
 137
 138 /*! \brief Returns the set of DD ranks that communicate with pme node cr->nodeid */
 139 std::vector<int> get_pme_ddranks(const t_commrec* cr, int pmenodeid);
 140
 141 /*! \brief Returns the maximum shift for coordinate communication in PME, dim x */
 142 int dd_pme_maxshift_x(const gmx_domdec_t* dd);
 143
 144 /*! \brief Returns the maximum shift for coordinate communication in PME, dim y */
 145 int dd_pme_maxshift_y(const gmx_domdec_t* dd);
 146
 147 /*! \brief Return whether constraints, not including settles, cross domain boundaries */
 148 bool ddHaveSplitConstraints(const gmx_domdec_t& dd);
 149
 150 /*! \brief Return whether update groups are used */
 151 bool ddUsesUpdateGroups(const gmx_domdec_t& dd);
 152
 153 /*! \brief Return whether the DD has a single dimension with a single pulse
 154  *
 155  * The GPU halo exchange code requires a 1D single-pulse DD, and its
 156  * setup code can use the returned value to understand what it should
 157  * do. */
 158 bool is1DAnd1PulseDD(const gmx_domdec_t& dd);
 159
 160 /*! \brief Initialize data structures for bonded interactions */
 161 void dd_init_bondeds(FILE*                      fplog,
 162                      gmx_domdec_t*              dd,
 163                      const gmx_mtop_t&          mtop,
 164                      const gmx_vsite_t*         vsite,
 165                      const t_inputrec*          ir,
 166                      gmx_bool                   bBCheck,
 167                      gmx::ArrayRef<cginfo_mb_t> cginfo_mb);
 168
 169 /*! \brief Returns whether molecules are always whole, i.e. not broken by PBC */
 170 bool dd_moleculesAreAlwaysWhole(const gmx_domdec_t& dd);
 171
 172 /*! \brief Returns if we need to do pbc for calculating bonded interactions */
 173 gmx_bool dd_bonded_molpbc(const gmx_domdec_t* dd, int ePBC);
 174
 175 /*! \brief Change the DD non-bonded communication cut-off.
 176  *
 177  * This could fail when trying to increase the cut-off,
 178  * then FALSE will be returned and the cut-off is not modified.
 179  *
 180  * \param[in] cr               Communication recrod
 181  * \param[in] box              Box matrix, used for computing the dimensions of the system
 182  * \param[in] x                Position vector, used for computing the dimensions of the system
 183  * \param[in] cutoffRequested  The requested atom to atom cut-off distance, usually the pair-list cutoff distance
 184  */
 185 gmx_bool change_dd_cutoff(t_commrec* cr, const matrix box, gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x, real cutoffRequested);
 186
 187 /*! \brief Set up communication for averaging GPU wait times over domains
 188  *
 189  * When domains (PP MPI ranks) share a GPU, the individual GPU wait times
 190  * are meaningless, as it depends on the order in which tasks on the same
 191  * GPU finish. Therefore there wait times need to be averaged over the ranks
 192  * sharing the same GPU. This function sets up the communication for that.
 193  */
 194 void dd_setup_dlb_resource_sharing(const t_commrec* cr, int gpu_id);
 195
 196 /*! \brief Cycle counter indices used internally in the domain decomposition */
 197 enum
 198 {
 199     ddCyclStep,
 200     ddCyclPPduringPME,
 201     ddCyclF,
 202     ddCyclWaitGPU,
 203     ddCyclPME,
 204     ddCyclNr
 205 };
 206
 207 /*! \brief Add the wallcycle count to the DD counter */
 208 void dd_cycles_add(const gmx_domdec_t* dd, float cycles, int ddCycl);
 209
 210 /*! \brief Communicate the coordinates to the neighboring cells and do pbc. */
 211 void dd_move_x(struct gmx_domdec_t* dd, const matrix box, gmx::ArrayRef<gmx::RVec> x, gmx_wallcycle* wcycle);
 212
 213 /*! \brief Sum the forces over the neighboring cells.
 214  *
 215  * When fshift!=NULL the shift forces are updated to obtain
 216  * the correct virial from the single sum including f.
 217  */
 218 void dd_move_f(struct gmx_domdec_t* dd, gmx::ForceWithShiftForces* forceWithShiftForces, gmx_wallcycle* wcycle);
 219
 220 /*! \brief Communicate a real for each atom to the neighboring cells. */
 221 void dd_atom_spread_real(struct gmx_domdec_t* dd, real v[]);
 222
 223 /*! \brief Sum the contributions to a real for each atom over the neighboring cells. */
 224 void dd_atom_sum_real(struct gmx_domdec_t* dd, real v[]);
 225
 226 /*! \brief Reset all the statistics and counters for total run counting */
 227 void reset_dd_statistics_counters(struct gmx_domdec_t* dd);
 228
 229 /* In domdec_con.c */
 230
 231 /*! \brief Communicates the virtual site forces, reduces the shift forces when \p fshift != NULL */
 232 void dd_move_f_vsites(struct gmx_domdec_t* dd, rvec* f, rvec* fshift);
 233
 234 /*! \brief Clears the forces for virtual sites */
 235 void dd_clear_f_vsites(struct gmx_domdec_t* dd, rvec* f);
 236
 237 /*! \brief Move x0 and also x1 if x1!=NULL. bX1IsCoord tells if to do PBC on x1 */
 238 void dd_move_x_constraints(struct gmx_domdec_t* dd, const matrix box, rvec* x0, rvec* x1, gmx_bool bX1IsCoord);
 239
 240 /*! \brief Communicates the coordinates involved in virtual sites */
 241 void dd_move_x_vsites(struct gmx_domdec_t* dd, const matrix box, rvec* x);
 242
 243 /*! \brief Returns the local atom count array for all constraints
 244  *
 245  * The local atom count for a constraint, possible values 2/1/0, is needed
 246  * to avoid not/double-counting contributions linked to the Lagrange
 247  * multiplier, such as the virial and free-energy derivatives.
 248  *
 249  * \note When \p dd = nullptr, an empty reference is returned.
 250  */
 251 gmx::ArrayRef<const int> dd_constraints_nlocalatoms(const gmx_domdec_t* dd);
 252
 253 /* In domdec_top.c */
 254
 255 /*! \brief Print error output when interactions are missing */
 256 [[noreturn]] void dd_print_missing_interactions(const gmx::MDLogger&  mdlog,
 257                                                 t_commrec*            cr,
 258                                                 int                   local_count,
 259                                                 const gmx_mtop_t*     top_global,
 260                                                 const gmx_localtop_t* top_local,
 261                                                 const rvec*           x,
 262                                                 const matrix          box);
 263
 264 /*! \brief Generate and store the reverse topology */
 265 void dd_make_reverse_top(FILE*              fplog,
 266                          gmx_domdec_t*      dd,
 267                          const gmx_mtop_t*  mtop,
 268                          const gmx_vsite_t* vsite,
 269                          const t_inputrec*  ir,
 270                          gmx_bool           bBCheck);
 271
 272 /*! \brief Generate the local topology and virtual site data */
 273 void dd_make_local_top(struct gmx_domdec_t*       dd,
 274                        struct gmx_domdec_zones_t* zones,
 275                        int                        npbcdim,
 276                        matrix                     box,
 277                        rvec                       cellsize_min,
 278                        const ivec                 npulse,
 279                        t_forcerec*                fr,
 280                        rvec*                      cgcm_or_x,
 281                        const gmx_mtop_t&          top,
 282                        gmx_localtop_t*            ltop);
 283
 284 /*! \brief Sort ltop->ilist when we are doing free energy. */
 285 void dd_sort_local_top(gmx_domdec_t* dd, const t_mdatoms* mdatoms, gmx_localtop_t* ltop);
 286
 287 /*! \brief Initialize local topology
 288  *
 289  * \param[in] top_global Reference to global topology.
 290  * \param[in,out] top Pointer to new local topology
 291  */
 292 void dd_init_local_top(const gmx_mtop_t& top_global, gmx_localtop_t* top);
 293
 294 /*! \brief Construct local state */
 295 void dd_init_local_state(struct gmx_domdec_t* dd, const t_state* state_global, t_state* local_state);
 296
 297 /*! \brief Generate a list of links between atoms that are linked by bonded interactions
 298  *
 299  * Also stores whether atoms are linked in \p cginfo_mb.
 300  */
 301 t_blocka* makeBondedLinks(const gmx_mtop_t& mtop, gmx::ArrayRef<cginfo_mb_t> cginfo_mb);
 302
 303 /*! \brief Calculate the maximum distance involved in 2-body and multi-body bonded interactions */
 304 void dd_bonded_cg_distance(const gmx::MDLogger& mdlog,
 305                            const gmx_mtop_t*    mtop,
 306                            const t_inputrec*    ir,
 307                            const rvec*          x,
 308                            const matrix         box,
 309                            gmx_bool             bBCheck,
 310                            real*                r_2b,
 311                            real*                r_mb);
 312
 313 #endif