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/ewald/ewald-utils.h"
  55 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
  56 #include "gromacs/math/invertmatrix.h"
  57 #include "gromacs/math/units.h"
  58 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  59 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  60 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  61 #include "gromacs/utility/logger.h"
  62 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  63
  64 #include "pme-grid.h"
  65 #include "pme-internal.h"
  66
  67 /*! \internal \brief
  68  * Wrapper for getting a pointer to the plain C++ part of the GPU kernel parameters structure.
  69  *
  70  * \param[in] pmeGpu  The PME GPU structure.
  71  * \returns The pointer to the kernel parameters.
  72  */
  73 static PmeGpuKernelParamsBase *pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(const PmeGpu *pmeGpu)
  74 {
  75     // reinterpret_cast is needed because the derived CUDA structure is not known in this file
  76     auto *kernelParamsPtr = reinterpret_cast<PmeGpuKernelParamsBase *>(pmeGpu->kernelParams.get());
  77     return kernelParamsPtr;
  78 }
  79
  80 gmx::ArrayRef<gmx::RVec> pme_gpu_get_forces(PmeGpu *pmeGpu)
  81 {
  82     return pmeGpu->staging.h_forces;
  83 }
  84
  85 void pme_gpu_get_energy_virial(const PmeGpu *pmeGpu, real *energy, matrix virial)
  86 {
  87     for (int j = 0; j < c_virialAndEnergyCount; j++)
  88     {
  89         GMX_ASSERT(std::isfinite(pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j]), "PME GPU produces incorrect energy/virial.");
  90     }
  91
  92     GMX_ASSERT(energy, "Invalid energy output pointer in PME GPU");
  93     unsigned int j = 0;
  94     virial[XX][XX] = 0.25f * pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  95     virial[YY][YY] = 0.25f * pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  96     virial[ZZ][ZZ] = 0.25f * pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  97     virial[XX][YY] = virial[YY][XX] = 0.25f * pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  98     virial[XX][ZZ] = virial[ZZ][XX] = 0.25f * pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j++];
  99     virial[YY][ZZ] = virial[ZZ][YY] = 0.25f * pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j++];
 100     *energy        = 0.5f * pmeGpu->staging.h_virialAndEnergy[j++];
 101 }
 102
 103 void pme_gpu_update_input_box(PmeGpu gmx_unused       *pmeGpu,
 104                               const matrix gmx_unused  box)
 105 {
 106 #if GMX_DOUBLE
 107     GMX_THROW(gmx::NotImplementedError("PME is implemented for single-precision only on GPU"));
 108 #else
 109     matrix  scaledBox;
 110     pmeGpu->common->boxScaler->scaleBox(box, scaledBox);
 111     auto   *kernelParamsPtr      = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGpu);
 112     kernelParamsPtr->current.boxVolume = scaledBox[XX][XX] * scaledBox[YY][YY] * scaledBox[ZZ][ZZ];
 113     GMX_ASSERT(kernelParamsPtr->current.boxVolume != 0.0f, "Zero volume of the unit cell");
 114     matrix recipBox;
 115     gmx::invertBoxMatrix(scaledBox, recipBox);
 116
 117     /* The GPU recipBox is transposed as compared to the CPU recipBox.
 118      * Spread uses matrix columns (while solve and gather use rows).
 119      * There is no particular reason for this; it might be further rethought/optimized for better access patterns.
 120      */
 121     const real newRecipBox[DIM][DIM] =
 122     {
 123         {recipBox[XX][XX], recipBox[YY][XX], recipBox[ZZ][XX]},
 124         {             0.0, recipBox[YY][YY], recipBox[ZZ][YY]},
 125         {             0.0,              0.0, recipBox[ZZ][ZZ]}
 126     };
 127     memcpy(kernelParamsPtr->current.recipBox, newRecipBox, sizeof(matrix));
 128 #endif
 129 }
 130
 131 /*! \brief \libinternal
 132  * The PME GPU reinitialization function that is called both at the end of any PME computation and on any load balancing.
 133  *
 134  * \param[in] pmeGpu            The PME GPU structure.
 135  */
 136 static void pme_gpu_reinit_computation(const PmeGpu *pmeGpu)
 137 {
 138     pme_gpu_clear_grids(pmeGpu);
 139     pme_gpu_clear_energy_virial(pmeGpu);
 140 }
 141
 142 void pme_gpu_finish_computation(const PmeGpu *pmeGpu)
 143 {
 144     // Synchronize the whole PME stream at once, including D2H result transfers.
 145     pme_gpu_synchronize(pmeGpu);
 146
 147     pme_gpu_update_timings(pmeGpu);
 148     pme_gpu_reinit_computation(pmeGpu);
 149 }
 150
 151 /*! \brief \libinternal
 152  * (Re-)initializes all the PME GPU data related to the grid size and cut-off.
 153  *
 154  * \param[in] pmeGpu            The PME GPU structure.
 155  */
 156 static void pme_gpu_reinit_grids(PmeGpu *pmeGpu)
 157 {
 158     auto *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGpu);
 159     kernelParamsPtr->grid.ewaldFactor = (M_PI * M_PI) / (pmeGpu->common->ewaldcoeff_q * pmeGpu->common->ewaldcoeff_q);
 160
 161     /* The grid size variants */
 162     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 163     {
 164         kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i]       = pmeGpu->common->nk[i];
 165         kernelParamsPtr->grid.realGridSizeFP[i]     = (float)kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 166         kernelParamsPtr->grid.realGridSizePadded[i] = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 167
 168         // The complex grid currently uses no padding;
 169         // if it starts to do so, then another test should be added for that
 170         kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[i]       = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 171         kernelParamsPtr->grid.complexGridSizePadded[i] = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 172     }
 173     /* FFT: n real elements correspond to (n / 2 + 1) complex elements in minor dimension */
 174     if (!pme_gpu_performs_FFT(pmeGpu))
 175     {
 176         // This allows for GPU spreading grid and CPU fftgrid to have the same layout, so that we can copy the data directly
 177         kernelParamsPtr->grid.realGridSizePadded[ZZ] = (kernelParamsPtr->grid.realGridSize[ZZ] / 2 + 1) * 2;
 178     }
 179
 180     /* GPU FFT: n real elements correspond to (n / 2 + 1) complex elements in minor dimension */
 181     kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[ZZ] /= 2;
 182     kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[ZZ]++;
 183     kernelParamsPtr->grid.complexGridSizePadded[ZZ] = kernelParamsPtr->grid.complexGridSize[ZZ];
 184
 185     pme_gpu_realloc_and_copy_fract_shifts(pmeGpu);
 186     pme_gpu_realloc_and_copy_bspline_values(pmeGpu);
 187     pme_gpu_realloc_grids(pmeGpu);
 188     pme_gpu_reinit_3dfft(pmeGpu);
 189 }
 190
 191 /* Several GPU functions that refer to the CPU PME data live here.
 192  * We would like to keep these away from the GPU-framework specific code for clarity,
 193  * as well as compilation issues with MPI.
 194  */
 195
 196 /*! \brief \libinternal
 197  * Copies everything useful from the PME CPU to the PME GPU structure.
 198  * The goal is to minimize interaction with the PME CPU structure in the GPU code.
 199  *
 200  * \param[in] pme         The PME structure.
 201  */
 202 static void pme_gpu_copy_common_data_from(const gmx_pme_t *pme)
 203 {
 204     /* TODO: Consider refactoring the CPU PME code to use the same structure,
 205      * so that this function becomes 2 lines */
 206     PmeGpu *pmeGpu             = pme->gpu;
 207     pmeGpu->common->ngrids        = pme->ngrids;
 208     pmeGpu->common->epsilon_r     = pme->epsilon_r;
 209     pmeGpu->common->ewaldcoeff_q  = pme->ewaldcoeff_q;
 210     pmeGpu->common->nk[XX]        = pme->nkx;
 211     pmeGpu->common->nk[YY]        = pme->nky;
 212     pmeGpu->common->nk[ZZ]        = pme->nkz;
 213     pmeGpu->common->pmegrid_n[XX] = pme->pmegrid_nx;
 214     pmeGpu->common->pmegrid_n[YY] = pme->pmegrid_ny;
 215     pmeGpu->common->pmegrid_n[ZZ] = pme->pmegrid_nz;
 216     pmeGpu->common->pme_order     = pme->pme_order;
 217     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 218     {
 219         pmeGpu->common->bsp_mod[i].assign(pme->bsp_mod[i], pme->bsp_mod[i] + pmeGpu->common->nk[i]);
 220     }
 221     const int cellCount = c_pmeNeighborUnitcellCount;
 222     pmeGpu->common->fsh.resize(0);
 223     pmeGpu->common->fsh.insert(pmeGpu->common->fsh.end(), pme->fshx, pme->fshx + cellCount * pme->nkx);
 224     pmeGpu->common->fsh.insert(pmeGpu->common->fsh.end(), pme->fshy, pme->fshy + cellCount * pme->nky);
 225     pmeGpu->common->fsh.insert(pmeGpu->common->fsh.end(), pme->fshz, pme->fshz + cellCount * pme->nkz);
 226     pmeGpu->common->nn.resize(0);
 227     pmeGpu->common->nn.insert(pmeGpu->common->nn.end(), pme->nnx, pme->nnx + cellCount * pme->nkx);
 228     pmeGpu->common->nn.insert(pmeGpu->common->nn.end(), pme->nny, pme->nny + cellCount * pme->nky);
 229     pmeGpu->common->nn.insert(pmeGpu->common->nn.end(), pme->nnz, pme->nnz + cellCount * pme->nkz);
 230     pmeGpu->common->runMode   = pme->runMode;
 231     pmeGpu->common->boxScaler = pme->boxScaler;
 232 }
 233
 234 /*! \brief \libinternal
 235  * Finds out if PME with given inputs is possible to run on GPU.
 236  *
 237  * \param[in]  pme          The PME structure.
 238  * \param[out] error        The error message if the input is not supported on GPU.
 239  * \returns                 True if this PME input is possible to run on GPU, false otherwise.
 240  */
 241 static bool pme_gpu_check_restrictions(const gmx_pme_t *pme, std::string *error)
 242 {
 243     std::list<std::string> errorReasons;
 244     if (pme->nnodes != 1)
 245     {
 246         errorReasons.push_back("PME decomposition");
 247     }
 248     if (pme->pme_order != 4)
 249     {
 250         errorReasons.push_back("interpolation orders other than 4");
 251     }
 252     if (pme->bFEP)
 253     {
 254         errorReasons.push_back("free energy calculations (multiple grids)");
 255     }
 256     if (pme->doLJ)
 257     {
 258         errorReasons.push_back("Lennard-Jones PME");
 259     }
 260 #if GMX_DOUBLE
 261     {
 262         errorReasons.push_back("double precision");
 263     }
 264 #endif
 265 #if GMX_GPU != GMX_GPU_CUDA
 266     {
 267         errorReasons.push_back("non-CUDA build of GROMACS");
 268     }
 269 #endif
 270
 271     bool inputSupported = errorReasons.empty();
 272     if (!inputSupported && error)
 273     {
 274         std::string regressionTestMarker = "PME GPU does not support";
 275         // this prefix is tested for in the regression tests script gmxtest.pl
 276         *error = regressionTestMarker + ": " + gmx::joinStrings(errorReasons, "; ") + ".";
 277     }
 278     return inputSupported;
 279 }
 280
 281 /*! \libinternal \brief
 282  * Initializes the PME GPU data at the beginning of the run.
 283  *
 284  * \param[in,out] pme       The PME structure.
 285  * \param[in,out] gpuInfo   The GPU information structure.
 286  */
 287 static void pme_gpu_init(gmx_pme_t *pme, gmx_device_info_t *gpuInfo)
 288 {
 289     std::string errorString;
 290     bool        canRunOnGpu = pme_gpu_check_restrictions(pme, &errorString);
 291     if (!canRunOnGpu)
 292     {
 293         GMX_THROW(gmx::NotImplementedError(errorString));
 294     }
 295
 296     pme->gpu          = new PmeGpu();
 297     PmeGpu *pmeGpu = pme->gpu;
 298     changePinningPolicy(&pmeGpu->staging.h_forces, gmx::PinningPolicy::CanBePinned);
 299     pmeGpu->common = std::shared_ptr<PmeShared>(new PmeShared());
 300
 301     /* These settings are set here for the whole run; dynamic ones are set in pme_gpu_reinit() */
 302     /* A convenience variable. */
 303     pmeGpu->settings.useDecomposition = (pme->nnodes == 1);
 304     /* TODO: CPU gather with GPU spread is broken due to different theta/dtheta layout. */
 305     pmeGpu->settings.performGPUGather = true;
 306
 307     pme_gpu_set_testing(pmeGpu, false);
 308
 309     pmeGpu->deviceInfo = gpuInfo;
 310
 311     pme_gpu_init_internal(pmeGpu);
 312     pme_gpu_init_sync_events(pmeGpu);
 313     pme_gpu_alloc_energy_virial(pmeGpu);
 314
 315     pme_gpu_copy_common_data_from(pme);
 316
 317     GMX_ASSERT(pmeGpu->common->epsilon_r != 0.0f, "PME GPU: bad electrostatic coefficient");
 318
 319     auto *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGpu);
 320     kernelParamsPtr->constants.elFactor = ONE_4PI_EPS0 / pmeGpu->common->epsilon_r;
 321 }
 322
 323 void pme_gpu_transform_spline_atom_data(const PmeGpu *pmeGpu, const pme_atomcomm_t *atc,
 324                                         PmeSplineDataType type, int dimIndex, PmeLayoutTransform transform)
 325 {
 326     // The GPU atom spline data is laid out in a different way currently than the CPU one.
 327     // This function converts the data from GPU to CPU layout (in the host memory).
 328     // It is only intended for testing purposes so far.
 329     // Ideally we should use similar layouts on CPU and GPU if we care about mixed modes and their performance
 330     // (e.g. spreading on GPU, gathering on CPU).
 331     GMX_RELEASE_ASSERT(atc->nthread == 1, "Only the serial PME data layout is supported");
 332     const uintmax_t threadIndex  = 0;
 333     const auto      atomCount    = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGpu)->atoms.nAtoms;
 334     const auto      atomsPerWarp = pme_gpu_get_atoms_per_warp(pmeGpu);
 335     const auto      pmeOrder     = pmeGpu->common->pme_order;
 336
 337     real           *cpuSplineBuffer;
 338     float          *h_splineBuffer;
 339     switch (type)
 340     {
 341         case PmeSplineDataType::Values:
 342             cpuSplineBuffer = atc->spline[threadIndex].theta[dimIndex];
 343             h_splineBuffer  = pmeGpu->staging.h_theta;
 344             break;
 345
 346         case PmeSplineDataType::Derivatives:
 347             cpuSplineBuffer = atc->spline[threadIndex].dtheta[dimIndex];
 348             h_splineBuffer  = pmeGpu->staging.h_dtheta;
 349             break;
 350
 351         default:
 352             GMX_THROW(gmx::InternalError("Unknown spline data type"));
 353     }
 354
 355     for (auto atomIndex = 0; atomIndex < atomCount; atomIndex++)
 356     {
 357         auto atomWarpIndex = atomIndex % atomsPerWarp;
 358         auto warpIndex     = atomIndex / atomsPerWarp;
 359         for (auto orderIndex = 0; orderIndex < pmeOrder; orderIndex++)
 360         {
 361             const auto gpuValueIndex = ((pmeOrder * warpIndex + orderIndex) * DIM + dimIndex) * atomsPerWarp + atomWarpIndex;
 362             const auto cpuValueIndex = atomIndex * pmeOrder + orderIndex;
 363             GMX_ASSERT(cpuValueIndex < atomCount * pmeOrder, "Atom spline data index out of bounds (while transforming GPU data layout for host)");
 364             switch (transform)
 365             {
 366                 case PmeLayoutTransform::GpuToHost:
 367                     cpuSplineBuffer[cpuValueIndex] = h_splineBuffer[gpuValueIndex];
 368                     break;
 369
 370                 case PmeLayoutTransform::HostToGpu:
 371                     h_splineBuffer[gpuValueIndex] = cpuSplineBuffer[cpuValueIndex];
 372                     break;
 373
 374                 default:
 375                     GMX_THROW(gmx::InternalError("Unknown layout transform"));
 376             }
 377         }
 378     }
 379 }
 380
 381 void pme_gpu_get_real_grid_sizes(const PmeGpu *pmeGpu, gmx::IVec *gridSize, gmx::IVec *paddedGridSize)
 382 {
 383     GMX_ASSERT(gridSize != nullptr, "");
 384     GMX_ASSERT(paddedGridSize != nullptr, "");
 385     GMX_ASSERT(pmeGpu != nullptr, "");
 386     auto *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGpu);
 387     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 388     {
 389         (*gridSize)[i]       = kernelParamsPtr->grid.realGridSize[i];
 390         (*paddedGridSize)[i] = kernelParamsPtr->grid.realGridSizePadded[i];
 391     }
 392 }
 393
 394 void pme_gpu_reinit(gmx_pme_t *pme, gmx_device_info_t *gpuInfo)
 395 {
 396     if (!pme_gpu_active(pme))
 397     {
 398         return;
 399     }
 400
 401     if (!pme->gpu)
 402     {
 403         /* First-time initialization */
 404         pme_gpu_init(pme, gpuInfo);
 405     }
 406     else
 407     {
 408         /* After this call nothing in the GPU code should refer to the gmx_pme_t *pme itself - until the next pme_gpu_reinit */
 409         pme_gpu_copy_common_data_from(pme);
 410     }
 411     /* GPU FFT will only get used for a single rank.*/
 412     pme->gpu->settings.performGPUFFT   = (pme->gpu->common->runMode == PmeRunMode::GPU) && !pme_gpu_uses_dd(pme->gpu);
 413     pme->gpu->settings.performGPUSolve = (pme->gpu->common->runMode == PmeRunMode::GPU);
 414
 415     /* Reinit active timers */
 416     pme_gpu_reinit_timings(pme->gpu);
 417
 418     pme_gpu_reinit_grids(pme->gpu);
 419     pme_gpu_reinit_computation(pme->gpu);
 420     /* Clear the previous box - doesn't hurt, and forces the PME CPU recipbox
 421      * update for mixed mode on grid switch. TODO: use shared recipbox field.
 422      */
 423     std::memset(pme->gpu->common->previousBox, 0, sizeof(pme->gpu->common->previousBox));
 424 }
 425
 426 void pme_gpu_destroy(PmeGpu *pmeGpu)
 427 {
 428     /* Free lots of data */
 429     pme_gpu_free_energy_virial(pmeGpu);
 430     pme_gpu_free_bspline_values(pmeGpu);
 431     pme_gpu_free_forces(pmeGpu);
 432     pme_gpu_free_coordinates(pmeGpu);
 433     pme_gpu_free_coefficients(pmeGpu);
 434     pme_gpu_free_spline_data(pmeGpu);
 435     pme_gpu_free_grid_indices(pmeGpu);
 436     pme_gpu_free_fract_shifts(pmeGpu);
 437     pme_gpu_free_grids(pmeGpu);
 438
 439     pme_gpu_destroy_3dfft(pmeGpu);
 440     pme_gpu_destroy_sync_events(pmeGpu);
 441
 442     /* Free the GPU-framework specific data last */
 443     pme_gpu_destroy_specific(pmeGpu);
 444
 445     delete pmeGpu;
 446 }
 447
 448 void pme_gpu_reinit_atoms(PmeGpu *pmeGpu, const int nAtoms, const real *charges)
 449 {
 450     auto      *kernelParamsPtr = pme_gpu_get_kernel_params_base_ptr(pmeGpu);
 451     kernelParamsPtr->atoms.nAtoms = nAtoms;
 452     const int  alignment = pme_gpu_get_atom_data_alignment(pmeGpu);
 453     pmeGpu->nAtomsPadded = ((nAtoms + alignment - 1) / alignment) * alignment;
 454     const int  nAtomsAlloc   = c_usePadding ? pmeGpu->nAtomsPadded : nAtoms;
 455     const bool haveToRealloc = (pmeGpu->nAtomsAlloc < nAtomsAlloc); /* This check might be redundant, but is logical */
 456     pmeGpu->nAtomsAlloc = nAtomsAlloc;
 457
 458 #if GMX_DOUBLE
 459     GMX_RELEASE_ASSERT(false, "Only single precision supported");
 460     GMX_UNUSED_VALUE(charges);
 461 #else
 462     pme_gpu_realloc_and_copy_input_coefficients(pmeGpu, reinterpret_cast<const float *>(charges));
 463     /* Could also be checked for haveToRealloc, but the copy always needs to be performed */
 464 #endif
 465
 466     if (haveToRealloc)
 467     {
 468         pme_gpu_realloc_coordinates(pmeGpu);
 469         pme_gpu_realloc_forces(pmeGpu);
 470         pme_gpu_realloc_spline_data(pmeGpu);
 471         pme_gpu_realloc_grid_indices(pmeGpu);
 472     }
 473 }