src/gromacs/ewald/pme-gpu-internal.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2016,2017, 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
  36 /*! \internal \file
  37  *
  38  * \brief This file contains internal function implementations
  39  * for performing the PME calculations on GPU.
  40  *
  41  * \author Aleksei Iupinov <a.yupinov@gmail.com>
  42  * \ingroup module_ewald
  43  */
  44
  45 #include "gmxpre.h"
  46
  47 #include "pme-gpu-internal.h"
  48
  49 #include "config.h"
  50
  51 #include <list>
  52 #include <string>
  53
  54 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
  55 #include "gromacs/math/invertmatrix.h"
  56 #include "gromacs/math/units.h"
  57 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  58 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  59 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  60 #include "gromacs/utility/logger.h"
  61 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  62
  63 #include "pme-grid.h"
  64 #include "pme-internal.h"
  65
  66 /*! \internal \brief
  67  * Wrapper for getting a pointer to the plain C++ part of the GPU kernel parameters structure.
  68  *
  69  * \param[in] pmeGPU  The PME GPU structure.
  70  * \returns The pointer to the kernel parameters.
  71  */
  72 static pme_gpu_kernel_params_base_t *pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(const pme_gpu_t *pmeGPU)
  73 {
  74     // reinterpret_cast is needed because the derived CUDA structure is not known in this file
  75     auto *kernelParamsPtr = reinterpret_cast<pme_gpu_kernel_params_base_t *>(pmeGPU->kernelParams.get());
  76     return kernelParamsPtr;
  77 }
  78
  79 void pme_gpu_get_energy_virial(const pme_gpu_t *pmeGPU, real *energy, matrix virial)
  80 {
  81     GMX_ASSERT(energy, "Invalid energy output pointer in PME GPU");
  82     unsigned int j = 0;
  83     virial[XX][XX] = 0.25f * pmeGPU->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  84     virial[YY][YY] = 0.25f * pmeGPU->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  85     virial[ZZ][ZZ] = 0.25f * pmeGPU->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  86     virial[XX][YY] = virial[YY][XX] = 0.25f * pmeGPU->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  87     virial[XX][ZZ] = virial[ZZ][XX] = 0.25f * pmeGPU->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  88     virial[YY][ZZ] = virial[ZZ][YY] = 0.25f * pmeGPU->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  89     *energy        = 0.5f * pmeGPU->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  90 }
  91
  92 void pme_gpu_update_input_box(pme_gpu_t *pmeGPU, const matrix box)
  93 {
  94     auto        *kernelParamsPtr      = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGPU);
  95     kernelParamsPtr->step.boxVolume = box[XX][XX] * box[YY][YY] * box[ZZ][ZZ];
  96     GMX_ASSERT(kernelParamsPtr->step.boxVolume != 0.0f, "Zero volume of the unit cell");
  97
  98 #if GMX_DOUBLE
  99     GMX_THROW(gmx::NotImplementedError("PME is implemented for single-precision only on GPU"));
 100 #else
 101     matrix recipBox;
 102     gmx::invertBoxMatrix(box, recipBox);
 103     /* The GPU recipBox is transposed as compared to the CPU recipBox.
 104      * Spread uses matrix columns (while solve and gather use rows).
 105      * There is no particular reason for this; it might be further rethought/optimized for better access patterns.
 106      */
 107     const real newRecipBox[DIM][DIM] =
 108     {
 109         {recipBox[XX][XX], recipBox[YY][XX], recipBox[ZZ][XX]},
 110         {             0.0, recipBox[YY][YY], recipBox[ZZ][YY]},
 111         {             0.0,              0.0, recipBox[ZZ][ZZ]}
 112     };
 113     memcpy(kernelParamsPtr->step.recipBox, newRecipBox, sizeof(matrix));
 114 #endif
 115 }
 116
 117 void pme_gpu_start_step(pme_gpu_t *pmeGPU, bool needToUpdateBox, const matrix box, const rvec *h_coordinates)
 118 {
 119     pme_gpu_copy_input_coordinates(pmeGPU, h_coordinates);
 120     if (needToUpdateBox)
 121     {
 122         pme_gpu_update_input_box(pmeGPU, box);
 123     }
 124 }
 125
 126 /*! \brief \libinternal
 127  * The PME GPU reinitialization function that is called both at the end of any MD step and on any load balancing step.
 128  *
 129  * \param[in] pmeGPU            The PME GPU structure.
 130  */
 131 static void pme_gpu_reinit_step(const pme_gpu_t *pmeGPU)
 132 {
 133     pme_gpu_clear_grids(pmeGPU);
 134     pme_gpu_clear_energy_virial(pmeGPU);
 135 }
 136
 137 void pme_gpu_finish_step(const pme_gpu_t *pmeGPU, const bool bCalcF, const bool bCalcEnerVir)
 138 {
 139     /* Needed for copy back as well as timing events */
 140     pme_gpu_synchronize(pmeGPU);
 141
 142     if (bCalcF && pme_gpu_performs_gather(pmeGPU))
 143     {
 144         pme_gpu_sync_output_forces(pmeGPU);
 145     }
 146     if (bCalcEnerVir && pme_gpu_performs_solve(pmeGPU))
 147     {
 148         pme_gpu_sync_output_energy_virial(pmeGPU);
 149     }
 150     pme_gpu_update_timings(pmeGPU);
 151     pme_gpu_reinit_step(pmeGPU);
 152 }
 153
 154 /*! \brief \libinternal
 155  * (Re-)initializes all the PME GPU data related to the grid size and cut-off.
 156  *
 157  * \param[in] pmeGPU            The PME GPU structure.
 158  */
 159 static void pme_gpu_reinit_grids(pme_gpu_t *pmeGPU)
 160 {
 161     auto *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGPU);
 162     kernelParamsPtr->grid.ewaldFactor = (M_PI * M_PI) / (pmeGPU->common->ewaldcoeff_q * pmeGPU->common->ewaldcoeff_q);
 163
 164     /* The grid size variants */
 165     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 166     {
 167         kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i]       = pmeGPU->common->nk[i];
 168         kernelParamsPtr->grid.realGridSizeFP[i]     = (float)kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 169         kernelParamsPtr->grid.realGridSizePadded[i] = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 170
 171         // The complex grid currently uses no padding;
 172         // if it starts to do so, then another test should be added for that
 173         kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[i]       = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 174         kernelParamsPtr->grid.complexGridSizePadded[i] = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 175     }
 176     /* FFT: n real elements correspond to (n / 2 + 1) complex elements in minor dimension */
 177     if (!pme_gpu_performs_FFT(pmeGPU))
 178     {
 179         // This allows for GPU spreading grid and CPU fftgrid to have the same layout, so that we can copy the data directly
 180         kernelParamsPtr->grid.realGridSizePadded[ZZ] = (kernelParamsPtr->grid.realGridSize[ZZ] / 2 + 1) * 2;
 181     }
 182
 183     /* GPU FFT: n real elements correspond to (n / 2 + 1) complex elements in minor dimension */
 184     kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[ZZ] /= 2;
 185     kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[ZZ]++;
 186     kernelParamsPtr->grid.complexGridSizePadded[ZZ] = kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[ZZ];
 187
 188     pme_gpu_realloc_and_copy_fract_shifts(pmeGPU);
 189     pme_gpu_realloc_and_copy_bspline_values(pmeGPU);
 190     pme_gpu_realloc_grids(pmeGPU);
 191     pme_gpu_reinit_3dfft(pmeGPU);
 192 }
 193
 194 /* Several GPU functions that refer to the CPU PME data live here.
 195  * We would like to keep these away from the GPU-framework specific code for clarity,
 196  * as well as compilation issues with MPI.
 197  */
 198
 199 /*! \brief \libinternal
 200  * Copies everything useful from the PME CPU to the PME GPU structure.
 201  * The goal is to minimize interaction with the PME CPU structure in the GPU code.
 202  *
 203  * \param[in] pme         The PME structure.
 204  */
 205 static void pme_gpu_copy_common_data_from(const gmx_pme_t *pme)
 206 {
 207     /* TODO: Consider refactoring the CPU PME code to use the same structure,
 208      * so that this function becomes 2 lines */
 209     pme_gpu_t *pmeGPU             = pme->gpu;
 210     pmeGPU->common->ngrids        = pme->ngrids;
 211     pmeGPU->common->epsilon_r     = pme->epsilon_r;
 212     pmeGPU->common->ewaldcoeff_q  = pme->ewaldcoeff_q;
 213     pmeGPU->common->nk[XX]        = pme->nkx;
 214     pmeGPU->common->nk[YY]        = pme->nky;
 215     pmeGPU->common->nk[ZZ]        = pme->nkz;
 216     pmeGPU->common->pmegrid_n[XX] = pme->pmegrid_nx;
 217     pmeGPU->common->pmegrid_n[YY] = pme->pmegrid_ny;
 218     pmeGPU->common->pmegrid_n[ZZ] = pme->pmegrid_nz;
 219     pmeGPU->common->pme_order     = pme->pme_order;
 220     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 221     {
 222         pmeGPU->common->bsp_mod[i].assign(pme->bsp_mod[i], pme->bsp_mod[i] + pmeGPU->common->nk[i]);
 223     }
 224     const int cellCount = c_pmeNeighborUnitcellCount;
 225     pmeGPU->common->fsh.resize(0);
 226     pmeGPU->common->fsh.insert(pmeGPU->common->fsh.end(), pme->fshx, pme->fshx + cellCount * pme->nkx);
 227     pmeGPU->common->fsh.insert(pmeGPU->common->fsh.end(), pme->fshy, pme->fshy + cellCount * pme->nky);
 228     pmeGPU->common->fsh.insert(pmeGPU->common->fsh.end(), pme->fshz, pme->fshz + cellCount * pme->nkz);
 229     pmeGPU->common->nn.resize(0);
 230     pmeGPU->common->nn.insert(pmeGPU->common->nn.end(), pme->nnx, pme->nnx + cellCount * pme->nkx);
 231     pmeGPU->common->nn.insert(pmeGPU->common->nn.end(), pme->nny, pme->nny + cellCount * pme->nky);
 232     pmeGPU->common->nn.insert(pmeGPU->common->nn.end(), pme->nnz, pme->nnz + cellCount * pme->nkz);
 233     pmeGPU->common->runMode = pme->runMode;
 234 }
 235
 236 /*! \brief \libinternal
 237  * Finds out if PME with given inputs is possible to run on GPU.
 238  *
 239  * \param[in]  pme          The PME structure.
 240  * \param[out] error        The error message if the input is not supported on GPU.
 241  * \returns                 True if this PME input is possible to run on GPU, false otherwise.
 242  */
 243 static bool pme_gpu_check_restrictions(const gmx_pme_t *pme, std::string *error)
 244 {
 245     std::list<std::string> errorReasons;
 246     if (pme->nnodes != 1)
 247     {
 248         errorReasons.push_back("PME decomposition");
 249     }
 250     if (pme->pme_order != 4)
 251     {
 252         errorReasons.push_back("interpolation orders other than 4");
 253     }
 254     if (pme->bFEP)
 255     {
 256         errorReasons.push_back("free energy calculations (multiple grids)");
 257     }
 258     if (pme->doLJ)
 259     {
 260         errorReasons.push_back("Lennard-Jones PME");
 261     }
 262 #if GMX_DOUBLE
 263     {
 264         errorReasons.push_back("double precision");
 265     }
 266 #endif
 267 #if GMX_GPU != GMX_GPU_CUDA
 268     {
 269         errorReasons.push_back("non-CUDA build of GROMACS");
 270     }
 271 #endif
 272
 273     bool inputSupported = errorReasons.empty();
 274     if (!inputSupported && error)
 275     {
 276         std::string regressionTestMarker = "PME GPU does not support";
 277         // this prefix is tested for in the regression tests script gmxtest.pl
 278         *error = regressionTestMarker + ": " + gmx::joinStrings(errorReasons, "; ") + ".";
 279     }
 280     return inputSupported;
 281 }
 282
 283 /*! \libinternal \brief
 284  * Initializes the PME GPU data at the beginning of the run.
 285  *
 286  * \param[in,out] pme       The PME structure.
 287  * \param[in,out] gpuInfo   The GPU information structure.
 288  * \param[in]     mdlog     The logger.
 289  * \param[in]     cr        The communication structure.
 290  */
 291 static void pme_gpu_init(gmx_pme_t *pme, gmx_device_info_t *gpuInfo, const gmx::MDLogger &mdlog,
 292                          const t_commrec *cr)
 293 {
 294     std::string errorString;
 295     bool        canRunOnGpu = pme_gpu_check_restrictions(pme, &errorString);
 296     if (!canRunOnGpu)
 297     {
 298         GMX_THROW(gmx::NotImplementedError(errorString));
 299     }
 300
 301     pme->gpu          = new pme_gpu_t();
 302     pme_gpu_t *pmeGPU = pme->gpu;
 303     pmeGPU->common = std::shared_ptr<pme_shared_t>(new pme_shared_t());
 304
 305     /* These settings are set here for the whole run; dynamic ones are set in pme_gpu_reinit() */
 306     /* A convenience variable. */
 307     pmeGPU->settings.useDecomposition = (pme->nnodes == 1);
 308     /* TODO: CPU gather with GPU spread is broken due to different theta/dtheta layout. */
 309     pmeGPU->settings.performGPUGather = true;
 310
 311     pme_gpu_set_testing(pmeGPU, false);
 312
 313     // GPU initialization
 314     init_gpu(mdlog, cr->nodeid, gpuInfo);
 315     pmeGPU->deviceInfo = gpuInfo;
 316
 317     pme_gpu_init_internal(pmeGPU);
 318     pme_gpu_init_sync_events(pmeGPU);
 319     pme_gpu_alloc_energy_virial(pmeGPU);
 320
 321     pme_gpu_copy_common_data_from(pme);
 322
 323     GMX_ASSERT(pmeGPU->common->epsilon_r != 0.0f, "PME GPU: bad electrostatic coefficient");
 324
 325     auto *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGPU);
 326     kernelParamsPtr->constants.elFactor = ONE_4PI_EPS0 / pmeGPU->common->epsilon_r;
 327 }
 328
 329 void pme_gpu_transform_spline_atom_data_for_host(const pme_gpu_t *pmeGPU, const pme_atomcomm_t *atc, PmeSplineDataType type, int dimIndex)
 330 {
 331     // The GPU atom spline data is laid out in a different way currently than the CPU one.
 332     // This function converts the data from GPU to CPU layout. Obviously, it is slow.
 333     // It is only intended for testing purposes so far.
 334     // Ideally we should use similar layouts on CPU and GPU if we care about mixed modes and their performance
 335     // (e.g. spreading on GPU, gathering on CPU).
 336     GMX_RELEASE_ASSERT(atc->nthread == 1, "Only the serial PME data layout is supported");
 337     const uintmax_t threadIndex  = 0;
 338     const auto      atomCount    = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGPU)->atoms.nAtoms;
 339     const auto      atomsPerWarp = pme_gpu_get_atom_spline_data_alignment(pmeGPU);
 340     const auto      pmeOrder     = pmeGPU->common->pme_order;
 341
 342     real           *h_splineBuffer;
 343     float          *d_splineBuffer;
 344     switch (type)
 345     {
 346         case PmeSplineDataType::Values:
 347             h_splineBuffer = atc->spline[threadIndex].theta[dimIndex];
 348             d_splineBuffer = pmeGPU->staging.h_theta;
 349             break;
 350
 351         case PmeSplineDataType::Derivatives:
 352             h_splineBuffer = atc->spline[threadIndex].dtheta[dimIndex];
 353             d_splineBuffer = pmeGPU->staging.h_dtheta;
 354             break;
 355
 356         default:
 357             GMX_THROW(gmx::InternalError("Unknown spline data type"));
 358     }
 359
 360     for (auto atomIndex = 0; atomIndex < atomCount; atomIndex++)
 361     {
 362         auto atomWarpIndex = atomIndex % atomsPerWarp;
 363         auto warpIndex     = atomIndex / atomsPerWarp;
 364         for (auto orderIndex = 0; orderIndex < pmeOrder; orderIndex++)
 365         {
 366             const auto gpuValueIndex = ((pmeOrder * warpIndex + orderIndex) * DIM + dimIndex) * atomsPerWarp + atomWarpIndex;
 367             const auto cpuValueIndex = atomIndex * pmeOrder + orderIndex;
 368             GMX_ASSERT(cpuValueIndex < atomCount * pmeOrder, "Atom spline data index out of bounds (while transforming GPU data layout for host)");
 369             h_splineBuffer[cpuValueIndex] = d_splineBuffer[gpuValueIndex];
 370         }
 371     }
 372 }
 373
 374 void pme_gpu_get_real_grid_sizes(const pme_gpu_t *pmeGPU, gmx::IVec *gridSize, gmx::IVec *paddedGridSize)
 375 {
 376     GMX_ASSERT(gridSize != nullptr, "");
 377     GMX_ASSERT(paddedGridSize != nullptr, "");
 378     GMX_ASSERT(pmeGPU != nullptr, "");
 379     auto *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGPU);
 380     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 381     {
 382         (*gridSize)[i]       = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 383         (*paddedGridSize)[i] = kernelParamsPtr->grid.realGridSizePadded[i];
 384     }
 385 }
 386
 387 void pme_gpu_reinit(gmx_pme_t *pme, gmx_device_info_t *gpuInfo, const gmx::MDLogger &mdlog, const t_commrec *cr)
 388 {
 389     if (!pme_gpu_active(pme))
 390     {
 391         return;
 392     }
 393
 394     if (!pme->gpu)
 395     {
 396         /* First-time initialization */
 397         pme_gpu_init(pme, gpuInfo, mdlog, cr);
 398     }
 399     else
 400     {
 401         /* After this call nothing in the GPU code should refer to the gmx_pme_t *pme itself - until the next pme_gpu_reinit */
 402         pme_gpu_copy_common_data_from(pme);
 403     }
 404     /* GPU FFT will only get used for a single rank.*/
 405     pme->gpu->settings.performGPUFFT   = (pme->gpu->common->runMode == PmeRunMode::GPU) && !pme_gpu_uses_dd(pme->gpu);
 406     pme->gpu->settings.performGPUSolve = (pme->gpu->common->runMode == PmeRunMode::GPU);
 407
 408     pme_gpu_reinit_grids(pme->gpu);
 409     pme_gpu_reinit_step(pme->gpu);
 410 }
 411
 412 void pme_gpu_destroy(pme_gpu_t *pmeGPU)
 413 {
 414     /* Free lots of data */
 415     pme_gpu_free_energy_virial(pmeGPU);
 416     pme_gpu_free_bspline_values(pmeGPU);
 417     pme_gpu_free_forces(pmeGPU);
 418     pme_gpu_free_coordinates(pmeGPU);
 419     pme_gpu_free_coefficients(pmeGPU);
 420     pme_gpu_free_spline_data(pmeGPU);
 421     pme_gpu_free_grid_indices(pmeGPU);
 422     pme_gpu_free_fract_shifts(pmeGPU);
 423     pme_gpu_free_grids(pmeGPU);
 424
 425     pme_gpu_destroy_3dfft(pmeGPU);
 426     pme_gpu_destroy_sync_events(pmeGPU);
 427
 428     /* Free the GPU-framework specific data last */
 429     pme_gpu_destroy_specific(pmeGPU);
 430
 431     delete pmeGPU;
 432 }
 433
 434 void pme_gpu_reinit_atoms(pme_gpu_t *pmeGPU, const int nAtoms, const real *charges)
 435 {
 436     auto      *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGPU);
 437     kernelParamsPtr->atoms.nAtoms = nAtoms;
 438     const int  alignment = pme_gpu_get_atom_data_alignment(pmeGPU);
 439     pmeGPU->nAtomsPadded = ((nAtoms + alignment - 1) / alignment) * alignment;
 440     const int  nAtomsAlloc   = c_usePadding ? pmeGPU->nAtomsPadded : nAtoms;
 441     const bool haveToRealloc = (pmeGPU->nAtomsAlloc < nAtomsAlloc); /* This check might be redundant, but is logical */
 442     pmeGPU->nAtomsAlloc = nAtomsAlloc;
 443
 444 #if GMX_DOUBLE
 445     GMX_RELEASE_ASSERT(false, "Only single precision supported");
 446     GMX_UNUSED_VALUE(charges);
 447 #else
 448     pme_gpu_realloc_and_copy_input_coefficients(pmeGPU, reinterpret_cast<const float *>(charges));
 449     /* Could also be checked for haveToRealloc, but the copy always needs to be performed */
 450 #endif
 451
 452     if (haveToRealloc)
 453     {
 454         pme_gpu_realloc_coordinates(pmeGPU);
 455         pme_gpu_realloc_forces(pmeGPU);
 456         pme_gpu_realloc_spline_data(pmeGPU);
 457         pme_gpu_realloc_grid_indices(pmeGPU);
 458     }
 459 }