6aad33b9ef5320b0410f1636c8ffe40c5268402b
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / ewald / pme-load-balancing.cpp
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 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 /*! \internal \file
36  *
37  * \brief This file contains function definitions necessary for
38  * managing automatic load balance of PME calculations (Coulomb and
39  * LJ).
40  *
41  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
42  * \ingroup module_ewald
43  */
44 #include "gmxpre.h"
45
46 #include "pme-load-balancing.h"
47
48 #include <cassert>
49 #include <cmath>
50
51 #include <algorithm>
52
53 #include "gromacs/domdec/dlb.h"
54 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
55 #include "gromacs/domdec/domdec_network.h"
56 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
57 #include "gromacs/domdec/partition.h"
58 #include "gromacs/ewald/ewald-utils.h"
59 #include "gromacs/ewald/pme.h"
60 #include "gromacs/fft/calcgrid.h"
61 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
62 #include "gromacs/math/functions.h"
63 #include "gromacs/math/vec.h"
64 #include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
65 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
66 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
67 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_pairlist.h"
68 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
69 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
70 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
71 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
72 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
73 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
74 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
75 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
76 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
77 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
78 #include "gromacs/utility/logger.h"
79 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
80 #include "gromacs/utility/strconvert.h"
81
82 #include "pme-internal.h"
83
84 /*! \brief Parameters and settings for one PP-PME setup */
85 struct pme_setup_t {
86     real              rcut_coulomb;    /**< Coulomb cut-off                              */
87     real              rlistOuter;      /**< cut-off for the outer pair-list              */
88     real              rlistInner;      /**< cut-off for the inner pair-list              */
89     real              spacing;         /**< (largest) PME grid spacing                   */
90     ivec              grid;            /**< the PME grid dimensions                      */
91     real              grid_efficiency; /**< ineffiency factor for non-uniform grids <= 1 */
92     real              ewaldcoeff_q;    /**< Electrostatic Ewald coefficient            */
93     real              ewaldcoeff_lj;   /**< LJ Ewald coefficient, only for the call to send_switchgrid */
94     struct gmx_pme_t *pmedata;         /**< the data structure used in the PME code      */
95     int               count;           /**< number of times this setup has been timed    */
96     double            cycles;          /**< the fastest time for this setup in cycles    */
97 };
98
99 /*! \brief After 50 nstlist periods of not observing imbalance: never tune PME */
100 const int  PMETunePeriod = 50;
101 /*! \brief Trigger PME load balancing at more than 5% PME overload */
102 const real loadBalanceTriggerFactor = 1.05;
103 /*! \brief Scale the grid by a most at factor 1.7.
104  *
105  * This still leaves room for about 4-4.5x decrease in grid spacing while limiting the cases where
106  * large imbalance leads to extreme cutoff scaling for marginal benefits.
107  *
108  * This should help to avoid:
109  *   - large increase in power consumption for little performance gain
110  *   - increasing communication volume
111  *   - limiting DLB
112  */
113 const real c_maxSpacingScaling = 1.7;
114 /*! \brief In the initial scan, step by grids that are at least a factor 0.8 coarser */
115 const real gridpointsScaleFactor = 0.8;
116 /*! \brief In the initial scan, try to skip grids with uneven x/y/z spacing,
117  * checking if the "efficiency" is more than 5% worse than the previous grid.
118  */
119 const real relativeEfficiencyFactor = 1.05;
120 /*! \brief Rerun until a run is 12% slower setups than the fastest run so far */
121 const real maxRelativeSlowdownAccepted = 1.12;
122 /*! \brief If setups get more than 2% faster, do another round to avoid
123  * choosing a slower setup due to acceleration or fluctuations.
124  */
125 const real maxFluctuationAccepted = 1.02;
126
127 /*! \brief Enumeration whose values describe the effect limiting the load balancing */
128 enum epmelb {
129     epmelblimNO, epmelblimBOX, epmelblimDD, epmelblimPMEGRID, epmelblimMAXSCALING, epmelblimNR
130 };
131
132 /*! \brief Descriptive strings matching ::epmelb */
133 static const char *pmelblim_str[epmelblimNR] =
134 { "no", "box size", "domain decompostion", "PME grid restriction", "maximum allowed grid scaling" };
135
136 struct pme_load_balancing_t {
137     gmx_bool     bSepPMERanks;       /**< do we have separate PME ranks? */
138     gmx_bool     bActive;            /**< is PME tuning active? */
139     int64_t      step_rel_stop;      /**< stop the tuning after this value of step_rel */
140     gmx_bool     bTriggerOnDLB;      /**< trigger balancing only on DD DLB */
141     gmx_bool     bBalance;           /**< are we in the balancing phase, i.e. trying different setups? */
142     int          nstage;             /**< the current maximum number of stages */
143
144     real         cut_spacing;        /**< the minimum cutoff / PME grid spacing ratio */
145     real         rcut_vdw;           /**< Vdw cutoff (does not change) */
146     real         rcut_coulomb_start; /**< Initial electrostatics cutoff */
147     real         rbufOuter_coulomb;  /**< the outer pairlist buffer size */
148     real         rbufOuter_vdw;      /**< the outer pairlist buffer size */
149     real         rbufInner_coulomb;  /**< the inner pairlist buffer size */
150     real         rbufInner_vdw;      /**< the inner pairlist buffer size */
151     matrix       box_start;          /**< the initial simulation box */
152     int          n;                  /**< the count of setup as well as the allocation size */
153     pme_setup_t *setup;              /**< the PME+cutoff setups */
154     int          cur;                /**< the inex (in setup) of the current setup */
155     int          fastest;            /**< index of the fastest setup up till now */
156     int          lower_limit;        /**< don't go below this setup index */
157     int          start;              /**< start of setup index range to consider in stage>0 */
158     int          end;                /**< end   of setup index range to consider in stage>0 */
159     int          elimited;           /**< was the balancing limited, uses enum above */
160     int          cutoff_scheme;      /**< Verlet or group cut-offs */
161
162     int          stage;              /**< the current stage */
163
164     int          cycles_n;           /**< step cycle counter cummulative count */
165     double       cycles_c;           /**< step cycle counter cummulative cycles */
166 };
167
168 /* TODO The code in this file should call this getter, rather than
169  * read bActive anywhere */
170 bool pme_loadbal_is_active(const pme_load_balancing_t *pme_lb)
171 {
172     return pme_lb != nullptr && pme_lb->bActive;
173 }
174
175 void pme_loadbal_init(pme_load_balancing_t     **pme_lb_p,
176                       t_commrec                 *cr,
177                       const gmx::MDLogger       &mdlog,
178                       const t_inputrec          &ir,
179                       const matrix               box,
180                       const interaction_const_t &ic,
181                       const NbnxnListParameters &listParams,
182                       gmx_pme_t                 *pmedata,
183                       gmx_bool                   bUseGPU,
184                       gmx_bool                  *bPrinting)
185 {
186     GMX_RELEASE_ASSERT(ir.cutoff_scheme != ecutsGROUP, "PME tuning is not supported with cutoff-scheme=group (because it contains bugs)");
187
188     pme_load_balancing_t *pme_lb;
189     real                  spm, sp;
190     int                   d;
191
192     // Note that we don't (yet) support PME load balancing with LJ-PME only.
193     GMX_RELEASE_ASSERT(EEL_PME(ir.coulombtype), "pme_loadbal_init called without PME electrostatics");
194     // To avoid complexity, we require a single cut-off with PME for q+LJ.
195     // This is checked by grompp, but it doesn't hurt to check again.
196     GMX_RELEASE_ASSERT(!(EEL_PME(ir.coulombtype) && EVDW_PME(ir.vdwtype) && ir.rcoulomb != ir.rvdw), "With Coulomb and LJ PME, rcoulomb should be equal to rvdw");
197
198     snew(pme_lb, 1);
199
200     pme_lb->bSepPMERanks      = !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME);
201
202     /* Initially we turn on balancing directly on based on PP/PME imbalance */
203     pme_lb->bTriggerOnDLB     = FALSE;
204
205     /* Any number of stages >= 2 is supported */
206     pme_lb->nstage            = 2;
207
208     pme_lb->cutoff_scheme     = ir.cutoff_scheme;
209
210     pme_lb->rbufOuter_coulomb = listParams.rlistOuter - ic.rcoulomb;
211     pme_lb->rbufOuter_vdw     = listParams.rlistOuter - ic.rvdw;
212     pme_lb->rbufInner_coulomb = listParams.rlistInner - ic.rcoulomb;
213     pme_lb->rbufInner_vdw     = listParams.rlistInner - ic.rvdw;
214
215     /* Scale box with Ewald wall factor; note that we pmedata->boxScaler
216      * can't always usedd as it's not available with separate PME ranks.
217      */
218     EwaldBoxZScaler boxScaler(ir);
219     boxScaler.scaleBox(box, pme_lb->box_start);
220
221     pme_lb->n = 1;
222     snew(pme_lb->setup, pme_lb->n);
223
224     pme_lb->rcut_vdw                 = ic.rvdw;
225     pme_lb->rcut_coulomb_start       = ir.rcoulomb;
226
227     pme_lb->cur                      = 0;
228     pme_lb->setup[0].rcut_coulomb    = ic.rcoulomb;
229     pme_lb->setup[0].rlistOuter      = listParams.rlistOuter;
230     pme_lb->setup[0].rlistInner      = listParams.rlistInner;
231     pme_lb->setup[0].grid[XX]        = ir.nkx;
232     pme_lb->setup[0].grid[YY]        = ir.nky;
233     pme_lb->setup[0].grid[ZZ]        = ir.nkz;
234     pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_q    = ic.ewaldcoeff_q;
235     pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_lj   = ic.ewaldcoeff_lj;
236
237     if (!pme_lb->bSepPMERanks)
238     {
239         GMX_RELEASE_ASSERT(pmedata, "On ranks doing both PP and PME we need a valid pmedata object");
240         pme_lb->setup[0].pmedata     = pmedata;
241     }
242
243     spm = 0;
244     for (d = 0; d < DIM; d++)
245     {
246         sp = norm(pme_lb->box_start[d])/pme_lb->setup[0].grid[d];
247         if (sp > spm)
248         {
249             spm = sp;
250         }
251     }
252     pme_lb->setup[0].spacing = spm;
253
254     if (ir.fourier_spacing > 0)
255     {
256         pme_lb->cut_spacing = ir.rcoulomb/ir.fourier_spacing;
257     }
258     else
259     {
260         pme_lb->cut_spacing = ir.rcoulomb/pme_lb->setup[0].spacing;
261     }
262
263     pme_lb->stage = 0;
264
265     pme_lb->fastest     = 0;
266     pme_lb->lower_limit = 0;
267     pme_lb->start       = 0;
268     pme_lb->end         = 0;
269     pme_lb->elimited    = epmelblimNO;
270
271     pme_lb->cycles_n = 0;
272     pme_lb->cycles_c = 0;
273
274     if (!wallcycle_have_counter())
275     {
276         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("NOTE: Cycle counters unsupported or not enabled in kernel. Cannot use PME-PP balancing.");
277     }
278
279     /* Tune with GPUs and/or separate PME ranks.
280      * When running only on a CPU without PME ranks, PME tuning will only help
281      * with small numbers of atoms in the cut-off sphere.
282      */
283     pme_lb->bActive  = (wallcycle_have_counter() && (bUseGPU ||
284                                                      pme_lb->bSepPMERanks));
285
286     /* With GPUs and no separate PME ranks we can't measure the PP/PME
287      * imbalance, so we start balancing right away.
288      * Otherwise we only start balancing after we observe imbalance.
289      */
290     pme_lb->bBalance = (pme_lb->bActive && (bUseGPU && !pme_lb->bSepPMERanks));
291
292     pme_lb->step_rel_stop = PMETunePeriod*ir.nstlist;
293
294     /* Delay DD load balancing when GPUs are used */
295     if (pme_lb->bActive && DOMAINDECOMP(cr) && cr->dd->nnodes > 1 && bUseGPU)
296     {
297         /* Lock DLB=auto to off (does nothing when DLB=yes/no.
298          * With GPUs and separate PME nodes, we want to first
299          * do PME tuning without DLB, since DLB might limit
300          * the cut-off, which never improves performance.
301          * We allow for DLB + PME tuning after a first round of tuning.
302          */
303         dd_dlb_lock(cr->dd);
304         if (dd_dlb_is_locked(cr->dd))
305         {
306             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("NOTE: DLB will not turn on during the first phase of PME tuning");
307         }
308     }
309
310     *pme_lb_p = pme_lb;
311
312     *bPrinting = pme_lb->bBalance;
313 }
314
315 /*! \brief Try to increase the cutoff during load balancing */
316 static gmx_bool pme_loadbal_increase_cutoff(pme_load_balancing_t *pme_lb,
317                                             int                   pme_order,
318                                             const gmx_domdec_t   *dd)
319 {
320     pme_setup_t *set;
321     real         fac, sp;
322     real         tmpr_coulomb, tmpr_vdw;
323     int          d;
324     bool         grid_ok;
325
326     /* Try to add a new setup with next larger cut-off to the list */
327     pme_lb->n++;
328     srenew(pme_lb->setup, pme_lb->n);
329     set          = &pme_lb->setup[pme_lb->n-1];
330     set->pmedata = nullptr;
331
332     NumPmeDomains numPmeDomains = getNumPmeDomains(dd);
333
334     fac = 1;
335     do
336     {
337         /* Avoid infinite while loop, which can occur at the minimum grid size.
338          * Note that in practice load balancing will stop before this point.
339          * The factor 2.1 allows for the extreme case in which only grids
340          * of powers of 2 are allowed (the current code supports more grids).
341          */
342         if (fac > 2.1)
343         {
344             pme_lb->n--;
345
346             return FALSE;
347         }
348
349         fac *= 1.01;
350         clear_ivec(set->grid);
351         sp = calcFftGrid(nullptr, pme_lb->box_start,
352                          fac*pme_lb->setup[pme_lb->cur].spacing,
353                          minimalPmeGridSize(pme_order),
354                          &set->grid[XX],
355                          &set->grid[YY],
356                          &set->grid[ZZ]);
357
358         /* As here we can't easily check if one of the PME ranks
359          * uses threading, we do a conservative grid check.
360          * This means we can't use pme_order or less grid lines
361          * per PME rank along x, which is not a strong restriction.
362          */
363         grid_ok = gmx_pme_check_restrictions(pme_order,
364                                              set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ],
365                                              numPmeDomains.x,
366                                              true,
367                                              false);
368     }
369     while (sp <= 1.001*pme_lb->setup[pme_lb->cur].spacing || !grid_ok);
370
371     set->rcut_coulomb = pme_lb->cut_spacing*sp;
372     if (set->rcut_coulomb < pme_lb->rcut_coulomb_start)
373     {
374         /* This is unlikely, but can happen when e.g. continuing from
375          * a checkpoint after equilibration where the box shrank a lot.
376          * We want to avoid rcoulomb getting smaller than rvdw
377          * and there might be more issues with decreasing rcoulomb.
378          */
379         set->rcut_coulomb = pme_lb->rcut_coulomb_start;
380     }
381
382     if (pme_lb->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
383     {
384         /* Never decrease the Coulomb and VdW list buffers */
385         set->rlistOuter  = std::max(set->rcut_coulomb + pme_lb->rbufOuter_coulomb,
386                                     pme_lb->rcut_vdw + pme_lb->rbufOuter_vdw);
387         set->rlistInner  = std::max(set->rcut_coulomb + pme_lb->rbufInner_coulomb,
388                                     pme_lb->rcut_vdw + pme_lb->rbufInner_vdw);
389     }
390     else
391     {
392         /* TODO Remove these lines and pme_lb->cutoff_scheme */
393         tmpr_coulomb     = set->rcut_coulomb + pme_lb->rbufOuter_coulomb;
394         tmpr_vdw         = pme_lb->rcut_vdw + pme_lb->rbufOuter_vdw;
395         /* Two (known) bugs with cutoff-scheme=group here:
396          * - This modification of rlist results in incorrect DD comunication.
397          * - We should set fr->bTwinRange = (fr->rlistlong > fr->rlist).
398          */
399         set->rlistOuter  = std::min(tmpr_coulomb, tmpr_vdw);
400         set->rlistInner  = set->rlistOuter;
401     }
402
403     set->spacing         = sp;
404     /* The grid efficiency is the size wrt a grid with uniform x/y/z spacing */
405     set->grid_efficiency = 1;
406     for (d = 0; d < DIM; d++)
407     {
408         set->grid_efficiency *= (set->grid[d]*sp)/norm(pme_lb->box_start[d]);
409     }
410     /* The Ewald coefficient is inversly proportional to the cut-off */
411     set->ewaldcoeff_q =
412         pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_q*pme_lb->setup[0].rcut_coulomb/set->rcut_coulomb;
413     /* We set ewaldcoeff_lj in set, even when LJ-PME is not used */
414     set->ewaldcoeff_lj =
415         pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_lj*pme_lb->setup[0].rcut_coulomb/set->rcut_coulomb;
416
417     set->count   = 0;
418     set->cycles  = 0;
419
420     if (debug)
421     {
422         fprintf(debug, "PME loadbal: grid %d %d %d, coulomb cutoff %f\n",
423                 set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ], set->rcut_coulomb);
424     }
425     return TRUE;
426 }
427
428 /*! \brief Print the PME grid */
429 static void print_grid(FILE *fp_err, FILE *fp_log,
430                        const char *pre,
431                        const char *desc,
432                        const pme_setup_t *set,
433                        double cycles)
434 {
435     auto buf = gmx::formatString("%-11s%10s pme grid %d %d %d, coulomb cutoff %.3f",
436                                  pre, desc,
437                                  set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ], set->rcut_coulomb);
438     if (cycles >= 0)
439     {
440         buf += gmx::formatString(": %.1f M-cycles", cycles*1e-6);
441     }
442     if (fp_err != nullptr)
443     {
444         fprintf(fp_err, "\r%s\n", buf.c_str());
445         fflush(fp_err);
446     }
447     if (fp_log != nullptr)
448     {
449         fprintf(fp_log, "%s\n", buf.c_str());
450     }
451 }
452
453 /*! \brief Return the index of the last setup used in PME load balancing */
454 static int pme_loadbal_end(pme_load_balancing_t *pme_lb)
455 {
456     /* In the initial stage only n is set; end is not set yet */
457     if (pme_lb->end > 0)
458     {
459         return pme_lb->end;
460     }
461     else
462     {
463         return pme_lb->n;
464     }
465 }
466
467 /*! \brief Print descriptive string about what limits PME load balancing */
468 static void print_loadbal_limited(FILE *fp_err, FILE *fp_log,
469                                   int64_t step,
470                                   pme_load_balancing_t *pme_lb)
471 {
472     auto buf = gmx::formatString("step %4s: the %s limits the PME load balancing to a coulomb cut-off of %.3f",
473                                  gmx::int64ToString(step).c_str(),
474                                  pmelblim_str[pme_lb->elimited],
475                                  pme_lb->setup[pme_loadbal_end(pme_lb)-1].rcut_coulomb);
476     if (fp_err != nullptr)
477     {
478         fprintf(fp_err, "\r%s\n", buf.c_str());
479         fflush(fp_err);
480     }
481     if (fp_log != nullptr)
482     {
483         fprintf(fp_log, "%s\n", buf.c_str());
484     }
485 }
486
487 /*! \brief Switch load balancing to stage 1
488  *
489  * In this stage, only reasonably fast setups are run again. */
490 static void switch_to_stage1(pme_load_balancing_t *pme_lb)
491 {
492     /* Increase start until we find a setup that is not slower than
493      * maxRelativeSlowdownAccepted times the fastest setup.
494      */
495     pme_lb->start = pme_lb->lower_limit;
496     while (pme_lb->start + 1 < pme_lb->n &&
497            (pme_lb->setup[pme_lb->start].count == 0 ||
498             pme_lb->setup[pme_lb->start].cycles >
499             pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles*maxRelativeSlowdownAccepted))
500     {
501         pme_lb->start++;
502     }
503     /* While increasing start, we might have skipped setups that we did not
504      * time during stage 0. We want to extend the range for stage 1 to include
505      * any skipped setups that lie between setups that were measured to be
506      * acceptably fast and too slow.
507      */
508     while (pme_lb->start > pme_lb->lower_limit &&
509            pme_lb->setup[pme_lb->start - 1].count == 0)
510     {
511         pme_lb->start--;
512     }
513
514     /* Decrease end only with setups that we timed and that are slow. */
515     pme_lb->end = pme_lb->n;
516     if (pme_lb->setup[pme_lb->end - 1].count > 0 &&
517         pme_lb->setup[pme_lb->end - 1].cycles >
518         pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles*maxRelativeSlowdownAccepted)
519     {
520         pme_lb->end--;
521     }
522
523     pme_lb->stage = 1;
524
525     /* Next we want to choose setup pme_lb->end-1, but as we will decrease
526      * pme_lb->cur by one right after returning, we set cur to end.
527      */
528     pme_lb->cur = pme_lb->end;
529 }
530
531 /*! \brief Process the timings and try to adjust the PME grid and Coulomb cut-off
532  *
533  * The adjustment is done to generate a different non-bonded PP and PME load.
534  * With separate PME ranks (PP and PME on different processes) or with
535  * a GPU (PP on GPU, PME on CPU), PP and PME run on different resources
536  * and changing the load will affect the load balance and performance.
537  * The total time for a set of integration steps is monitored and a range
538  * of grid/cut-off setups is scanned. After calling pme_load_balance many
539  * times and acquiring enough statistics, the best performing setup is chosen.
540  * Here we try to take into account fluctuations and changes due to external
541  * factors as well as DD load balancing.
542  */
543 static void
544 pme_load_balance(pme_load_balancing_t      *pme_lb,
545                  t_commrec                 *cr,
546                  FILE                      *fp_err,
547                  FILE                      *fp_log,
548                  const gmx::MDLogger       &mdlog,
549                  const t_inputrec          &ir,
550                  const t_state             &state,
551                  double                     cycles,
552                  interaction_const_t       *ic,
553                  struct nonbonded_verlet_t *nbv,
554                  struct gmx_pme_t **        pmedata,
555                  int64_t                    step)
556 {
557     gmx_bool     OK;
558     pme_setup_t *set;
559     double       cycles_fast;
560     char         buf[STRLEN], sbuf[22];
561     real         rtab;
562
563     if (PAR(cr))
564     {
565         gmx_sumd(1, &cycles, cr);
566         cycles /= cr->nnodes;
567     }
568
569     set = &pme_lb->setup[pme_lb->cur];
570     set->count++;
571
572     rtab = ir.rlist + ir.tabext;
573
574     if (set->count % 2 == 1)
575     {
576         /* Skip the first cycle, because the first step after a switch
577          * is much slower due to allocation and/or caching effects.
578          */
579         return;
580     }
581
582     sprintf(buf, "step %4s: ", gmx_step_str(step, sbuf));
583     print_grid(fp_err, fp_log, buf, "timed with", set, cycles);
584
585     if (set->count <= 2)
586     {
587         set->cycles = cycles;
588     }
589     else
590     {
591         if (cycles*maxFluctuationAccepted < set->cycles &&
592             pme_lb->stage == pme_lb->nstage - 1)
593         {
594             /* The performance went up a lot (due to e.g. DD load balancing).
595              * Add a stage, keep the minima, but rescan all setups.
596              */
597             pme_lb->nstage++;
598
599             if (debug)
600             {
601                 fprintf(debug, "The performance for grid %d %d %d went from %.3f to %.1f M-cycles, this is more than %f\n"
602                         "Increased the number stages to %d"
603                         " and ignoring the previous performance\n",
604                         set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ],
605                         set->cycles*1e-6, cycles*1e-6, maxFluctuationAccepted,
606                         pme_lb->nstage);
607             }
608         }
609         set->cycles = std::min(set->cycles, cycles);
610     }
611
612     if (set->cycles < pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles)
613     {
614         pme_lb->fastest = pme_lb->cur;
615
616         if (DOMAINDECOMP(cr))
617         {
618             /* We found a new fastest setting, ensure that with subsequent
619              * shorter cut-off's the dynamic load balancing does not make
620              * the use of the current cut-off impossible. This solution is
621              * a trade-off, as the PME load balancing and DD domain size
622              * load balancing can interact in complex ways.
623              * With the Verlet kernels, DD load imbalance will usually be
624              * mainly due to bonded interaction imbalance, which will often
625              * quickly push the domain boundaries beyond the limit for the
626              * optimal, PME load balanced, cut-off. But it could be that
627              * better overal performance can be obtained with a slightly
628              * shorter cut-off and better DD load balancing.
629              */
630             set_dd_dlb_max_cutoff(cr, pme_lb->setup[pme_lb->fastest].rlistOuter);
631         }
632     }
633     cycles_fast = pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles;
634
635     /* Check in stage 0 if we should stop scanning grids.
636      * Stop when the time is more than maxRelativeSlowDownAccepted longer than the fastest.
637      */
638     if (pme_lb->stage == 0 && pme_lb->cur > 0 &&
639         cycles > pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles*maxRelativeSlowdownAccepted)
640     {
641         pme_lb->n = pme_lb->cur + 1;
642         /* Done with scanning, go to stage 1 */
643         switch_to_stage1(pme_lb);
644     }
645
646     if (pme_lb->stage == 0)
647     {
648         int gridsize_start;
649
650         gridsize_start = set->grid[XX]*set->grid[YY]*set->grid[ZZ];
651
652         do
653         {
654             if (pme_lb->cur+1 < pme_lb->n)
655             {
656                 /* We had already generated the next setup */
657                 OK = TRUE;
658             }
659             else
660             {
661                 /* Find the next setup */
662                 OK = pme_loadbal_increase_cutoff(pme_lb, ir.pme_order, cr->dd);
663
664                 if (!OK)
665                 {
666                     pme_lb->elimited = epmelblimPMEGRID;
667                 }
668             }
669
670             if (OK &&
671                 pme_lb->setup[pme_lb->cur+1].spacing > c_maxSpacingScaling*pme_lb->setup[0].spacing)
672             {
673                 OK               = FALSE;
674                 pme_lb->elimited = epmelblimMAXSCALING;
675             }
676
677             if (OK && ir.ePBC != epbcNONE)
678             {
679                 OK = (gmx::square(pme_lb->setup[pme_lb->cur+1].rlistOuter)
680                       <= max_cutoff2(ir.ePBC, state.box));
681                 if (!OK)
682                 {
683                     pme_lb->elimited = epmelblimBOX;
684                 }
685             }
686
687             if (OK)
688             {
689                 pme_lb->cur++;
690
691                 if (DOMAINDECOMP(cr))
692                 {
693                     OK = change_dd_cutoff(cr, state,
694                                           pme_lb->setup[pme_lb->cur].rlistOuter);
695                     if (!OK)
696                     {
697                         /* Failed: do not use this setup */
698                         pme_lb->cur--;
699                         pme_lb->elimited = epmelblimDD;
700                     }
701                 }
702             }
703             if (!OK)
704             {
705                 /* We hit the upper limit for the cut-off,
706                  * the setup should not go further than cur.
707                  */
708                 pme_lb->n = pme_lb->cur + 1;
709                 print_loadbal_limited(fp_err, fp_log, step, pme_lb);
710                 /* Switch to the next stage */
711                 switch_to_stage1(pme_lb);
712             }
713         }
714         while (OK &&
715                !(pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid[XX]*
716                  pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid[YY]*
717                  pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid[ZZ] <
718                  gridsize_start*gridpointsScaleFactor
719                  &&
720                  pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid_efficiency <
721                  pme_lb->setup[pme_lb->cur-1].grid_efficiency*relativeEfficiencyFactor));
722     }
723
724     if (pme_lb->stage > 0 && pme_lb->end == 1)
725     {
726         pme_lb->cur   = pme_lb->lower_limit;
727         pme_lb->stage = pme_lb->nstage;
728     }
729     else if (pme_lb->stage > 0 && pme_lb->end > 1)
730     {
731         /* If stage = nstage-1:
732          *   scan over all setups, rerunning only those setups
733          *   which are not much slower than the fastest
734          * else:
735          *   use the next setup
736          * Note that we loop backward to minimize the risk of the cut-off
737          * getting limited by DD DLB, since the DLB cut-off limit is set
738          * to the fastest PME setup.
739          */
740         do
741         {
742             if (pme_lb->cur > pme_lb->start)
743             {
744                 pme_lb->cur--;
745             }
746             else
747             {
748                 pme_lb->stage++;
749
750                 pme_lb->cur = pme_lb->end - 1;
751             }
752         }
753         while (pme_lb->stage == pme_lb->nstage - 1 &&
754                pme_lb->setup[pme_lb->cur].count > 0 &&
755                pme_lb->setup[pme_lb->cur].cycles > cycles_fast*maxRelativeSlowdownAccepted);
756
757         if (pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
758         {
759             /* We are done optimizing, use the fastest setup we found */
760             pme_lb->cur = pme_lb->fastest;
761         }
762     }
763
764     if (DOMAINDECOMP(cr) && pme_lb->stage > 0)
765     {
766         OK = change_dd_cutoff(cr, state, pme_lb->setup[pme_lb->cur].rlistOuter);
767         if (!OK)
768         {
769             /* For some reason the chosen cut-off is incompatible with DD.
770              * We should continue scanning a more limited range of cut-off's.
771              */
772             if (pme_lb->cur > 1 && pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
773             {
774                 /* stage=nstage says we're finished, but we should continue
775                  * balancing, so we set back stage which was just incremented.
776                  */
777                 pme_lb->stage--;
778             }
779             if (pme_lb->cur <= pme_lb->fastest)
780             {
781                 /* This should not happen, as we set limits on the DLB bounds.
782                  * But we implement a complete failsafe solution anyhow.
783                  */
784                 GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendTextFormatted(
785                         "The fastest PP/PME load balancing setting (cutoff %.3d nm) is no longer available due to DD DLB or box size limitations", pme_lb->fastest);
786                 pme_lb->fastest = pme_lb->lower_limit;
787                 pme_lb->start   = pme_lb->lower_limit;
788             }
789             /* Limit the range to below the current cut-off, scan from start */
790             pme_lb->end         = pme_lb->cur;
791             pme_lb->cur         = pme_lb->start;
792             pme_lb->elimited    = epmelblimDD;
793             print_loadbal_limited(fp_err, fp_log, step, pme_lb);
794         }
795     }
796
797     /* Change the Coulomb cut-off and the PME grid */
798
799     set = &pme_lb->setup[pme_lb->cur];
800
801     NbnxnListParameters *listParams = nbv->listParams.get();
802
803     ic->rcoulomb           = set->rcut_coulomb;
804     listParams->rlistOuter = set->rlistOuter;
805     listParams->rlistInner = set->rlistInner;
806     ic->ewaldcoeff_q       = set->ewaldcoeff_q;
807     /* TODO: centralize the code that sets the potentials shifts */
808     if (ic->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
809     {
810         GMX_RELEASE_ASSERT(ic->rcoulomb != 0, "Cutoff radius cannot be zero");
811         ic->sh_ewald = std::erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb) / ic->rcoulomb;
812     }
813     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
814     {
815         /* We have PME for both Coulomb and VdW, set rvdw equal to rcoulomb */
816         ic->rvdw            = set->rcut_coulomb;
817         ic->ewaldcoeff_lj   = set->ewaldcoeff_lj;
818         if (ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)
819         {
820             real       crc2;
821
822             ic->dispersion_shift.cpot = -1.0/gmx::power6(static_cast<double>(ic->rvdw));
823             ic->repulsion_shift.cpot  = -1.0/gmx::power12(static_cast<double>(ic->rvdw));
824             ic->sh_invrc6             = -ic->dispersion_shift.cpot;
825             crc2                      = gmx::square(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
826             ic->sh_lj_ewald           = (std::exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)/gmx::power6(ic->rvdw);
827         }
828     }
829
830     /* We always re-initialize the tables whether they are used or not */
831     init_interaction_const_tables(nullptr, ic, rtab);
832
833     nbnxn_gpu_pme_loadbal_update_param(nbv, ic, listParams);
834
835     if (!pme_lb->bSepPMERanks)
836     {
837         /* FIXME:
838          * CPU PME keeps a list of allocated pmedata's, that's why pme_lb->setup[pme_lb->cur].pmedata is not always nullptr.
839          * GPU PME, however, currently needs the gmx_pme_reinit always called on load balancing
840          * (pme_gpu_reinit might be not sufficiently decoupled from gmx_pme_init).
841          * This can lead to a lot of reallocations for PME GPU.
842          * Would be nicer if the allocated grid list was hidden within a single pmedata structure.
843          */
844         if ((pme_lb->setup[pme_lb->cur].pmedata == nullptr) || pme_gpu_task_enabled(pme_lb->setup[pme_lb->cur].pmedata))
845         {
846             /* Generate a new PME data structure,
847              * copying part of the old pointers.
848              */
849             gmx_pme_reinit(&set->pmedata,
850                            cr, pme_lb->setup[0].pmedata, &ir,
851                            set->grid, set->ewaldcoeff_q, set->ewaldcoeff_lj);
852         }
853         *pmedata = set->pmedata;
854     }
855     else
856     {
857         /* Tell our PME-only rank to switch grid */
858         gmx_pme_send_switchgrid(cr, set->grid, set->ewaldcoeff_q, set->ewaldcoeff_lj);
859     }
860
861     if (debug)
862     {
863         print_grid(nullptr, debug, "", "switched to", set, -1);
864     }
865
866     if (pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
867     {
868         print_grid(fp_err, fp_log, "", "optimal", set, -1);
869     }
870 }
871
872 /*! \brief Prepare for another round of PME load balancing
873  *
874  * \param[in,out] pme_lb       Pointer to PME load balancing struct
875  * \param[in]     bDlbUnlocked TRUE is DLB was locked and is now unlocked
876  *
877  * If the conditions (e.g. DLB off/on, CPU/GPU throttling etc.) changed,
878  * the PP/PME balance might change and re-balancing can improve performance.
879  * This function adds 2 stages and adjusts the considered setup range.
880  */
881 static void continue_pme_loadbal(pme_load_balancing_t *pme_lb,
882                                  gmx_bool              bDlbUnlocked)
883 {
884     /* Add 2 tuning stages, keep the detected end of the setup range */
885     pme_lb->nstage          += 2;
886     if (bDlbUnlocked && pme_lb->bSepPMERanks)
887     {
888         /* With separate PME ranks, DLB should always lower the PP load and
889          * can only increase the PME load (more communication and imbalance),
890          * so we only need to scan longer cut-off's.
891          */
892         pme_lb->lower_limit  = pme_lb->cur;
893     }
894     pme_lb->start            = pme_lb->lower_limit;
895 }
896
897 void pme_loadbal_do(pme_load_balancing_t *pme_lb,
898                     t_commrec            *cr,
899                     FILE                 *fp_err,
900                     FILE                 *fp_log,
901                     const gmx::MDLogger  &mdlog,
902                     const t_inputrec     &ir,
903                     t_forcerec           *fr,
904                     const t_state        &state,
905                     gmx_wallcycle_t       wcycle,
906                     int64_t               step,
907                     int64_t               step_rel,
908                     gmx_bool             *bPrinting)
909 {
910     int    n_prev;
911     double cycles_prev;
912
913     assert(pme_lb != nullptr);
914
915     if (!pme_lb->bActive)
916     {
917         return;
918     }
919
920     n_prev      = pme_lb->cycles_n;
921     cycles_prev = pme_lb->cycles_c;
922     wallcycle_get(wcycle, ewcSTEP, &pme_lb->cycles_n, &pme_lb->cycles_c);
923
924     /* Before the first step we haven't done any steps yet.
925      * Also handle cases where ir.init_step % ir.nstlist != 0.
926      */
927     if (pme_lb->cycles_n < ir.nstlist)
928     {
929         return;
930     }
931     /* Sanity check, we expect nstlist cycle counts */
932     if (pme_lb->cycles_n - n_prev != ir.nstlist)
933     {
934         /* We could return here, but it's safer to issue an error and quit */
935         gmx_incons("pme_loadbal_do called at an interval != nstlist");
936     }
937
938     /* PME grid + cut-off optimization with GPUs or PME ranks */
939     if (!pme_lb->bBalance && pme_lb->bSepPMERanks)
940     {
941         if (pme_lb->bTriggerOnDLB)
942         {
943             pme_lb->bBalance = dd_dlb_is_on(cr->dd);
944         }
945         /* We should ignore the first timing to avoid timing allocation
946          * overhead. And since the PME load balancing is called just
947          * before DD repartitioning, the ratio returned by dd_pme_f_ratio
948          * is not over the last nstlist steps, but the nstlist steps before
949          * that. So the first useful ratio is available at step_rel=3*nstlist.
950          */
951         else if (step_rel >= 3*ir.nstlist)
952         {
953             if (DDMASTER(cr->dd))
954             {
955                 /* If PME rank load is too high, start tuning */
956                 pme_lb->bBalance =
957                     (dd_pme_f_ratio(cr->dd) >= loadBalanceTriggerFactor);
958             }
959             dd_bcast(cr->dd, sizeof(gmx_bool), &pme_lb->bBalance);
960         }
961
962         pme_lb->bActive = (pme_lb->bBalance ||
963                            step_rel <= pme_lb->step_rel_stop);
964     }
965
966     /* The location in the code of this balancing termination is strange.
967      * You would expect to have it after the call to pme_load_balance()
968      * below, since there pme_lb->stage is updated.
969      * But when terminating directly after deciding on and selecting the
970      * optimal setup, DLB will turn on right away if it was locked before.
971      * This might be due to PME reinitialization. So we check stage here
972      * to allow for another nstlist steps with DLB locked to stabilize
973      * the performance.
974      */
975     if (pme_lb->bBalance && pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
976     {
977         pme_lb->bBalance = FALSE;
978
979         if (DOMAINDECOMP(cr) && dd_dlb_is_locked(cr->dd))
980         {
981             /* Unlock the DLB=auto, DLB is allowed to activate */
982             dd_dlb_unlock(cr->dd);
983             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("NOTE: DLB can now turn on, when beneficial");
984
985             /* We don't deactivate the tuning yet, since we will balance again
986              * after DLB gets turned on, if it does within PMETune_period.
987              */
988             continue_pme_loadbal(pme_lb, TRUE);
989             pme_lb->bTriggerOnDLB = TRUE;
990             pme_lb->step_rel_stop = step_rel + PMETunePeriod*ir.nstlist;
991         }
992         else
993         {
994             /* We're completely done with PME tuning */
995             pme_lb->bActive = FALSE;
996         }
997
998         if (DOMAINDECOMP(cr))
999         {
1000             /* Set the cut-off limit to the final selected cut-off,
1001              * so we don't have artificial DLB limits.
1002              * This also ensures that we won't disable the currently
1003              * optimal setting during a second round of PME balancing.
1004              */
1005             set_dd_dlb_max_cutoff(cr, fr->nbv->listParams->rlistOuter);
1006         }
1007     }
1008
1009     if (pme_lb->bBalance)
1010     {
1011         /* We might not have collected nstlist steps in cycles yet,
1012          * since init_step might not be a multiple of nstlist,
1013          * but the first data collected is skipped anyhow.
1014          */
1015         pme_load_balance(pme_lb, cr,
1016                          fp_err, fp_log, mdlog,
1017                          ir, state, pme_lb->cycles_c - cycles_prev,
1018                          fr->ic, fr->nbv, &fr->pmedata,
1019                          step);
1020
1021         /* Update deprecated rlist in forcerec to stay in sync with fr->nbv */
1022         fr->rlist         = fr->nbv->listParams->rlistOuter;
1023
1024         if (ir.eDispCorr != edispcNO)
1025         {
1026             calc_enervirdiff(nullptr, ir.eDispCorr, fr);
1027         }
1028     }
1029
1030     if (!pme_lb->bBalance &&
1031         (!pme_lb->bSepPMERanks || step_rel > pme_lb->step_rel_stop))
1032     {
1033         /* We have just deactivated the balancing and we're not measuring PP/PME
1034          * imbalance during the first steps of the run: deactivate the tuning.
1035          */
1036         pme_lb->bActive = FALSE;
1037     }
1038
1039     if (!(pme_lb->bActive) && DOMAINDECOMP(cr) && dd_dlb_is_locked(cr->dd))
1040     {
1041         /* Make sure DLB is allowed when we deactivate PME tuning */
1042         dd_dlb_unlock(cr->dd);
1043         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("NOTE: DLB can now turn on, when beneficial");
1044     }
1045
1046     *bPrinting = pme_lb->bBalance;
1047 }
1048
1049 /*! \brief Return product of the number of PME grid points in each dimension */
1050 static int pme_grid_points(const pme_setup_t *setup)
1051 {
1052     return setup->grid[XX]*setup->grid[YY]*setup->grid[ZZ];
1053 }
1054
1055 /*! \brief Print one load-balancing setting */
1056 static void print_pme_loadbal_setting(FILE              *fplog,
1057                                       const char        *name,
1058                                       const pme_setup_t *setup)
1059 {
1060     fprintf(fplog,
1061             "   %-7s %6.3f nm %6.3f nm     %3d %3d %3d   %5.3f nm  %5.3f nm\n",
1062             name,
1063             setup->rcut_coulomb, setup->rlistInner,
1064             setup->grid[XX], setup->grid[YY], setup->grid[ZZ],
1065             setup->spacing, 1/setup->ewaldcoeff_q);
1066 }
1067
1068 /*! \brief Print all load-balancing settings */
1069 static void print_pme_loadbal_settings(pme_load_balancing_t *pme_lb,
1070                                        FILE                 *fplog,
1071                                        const gmx::MDLogger  &mdlog,
1072                                        gmx_bool              bNonBondedOnGPU)
1073 {
1074     double     pp_ratio, grid_ratio;
1075     real       pp_ratio_temporary;
1076
1077     pp_ratio_temporary = pme_lb->setup[pme_lb->cur].rlistInner / pme_lb->setup[0].rlistInner;
1078     pp_ratio           = gmx::power3(pp_ratio_temporary);
1079     grid_ratio         = pme_grid_points(&pme_lb->setup[pme_lb->cur])/
1080         static_cast<double>(pme_grid_points(&pme_lb->setup[0]));
1081
1082     fprintf(fplog, "\n");
1083     fprintf(fplog, "       P P   -   P M E   L O A D   B A L A N C I N G\n");
1084     fprintf(fplog, "\n");
1085     /* Here we only warn when the optimal setting is the last one */
1086     if (pme_lb->elimited != epmelblimNO &&
1087         pme_lb->cur == pme_loadbal_end(pme_lb)-1)
1088     {
1089         fprintf(fplog, " NOTE: The PP/PME load balancing was limited by the %s,\n",
1090                 pmelblim_str[pme_lb->elimited]);
1091         fprintf(fplog, "       you might not have reached a good load balance.\n");
1092         if (pme_lb->elimited == epmelblimDD)
1093         {
1094             fprintf(fplog, "       Try different mdrun -dd settings or lower the -dds value.\n");
1095         }
1096         fprintf(fplog, "\n");
1097     }
1098     fprintf(fplog, " PP/PME load balancing changed the cut-off and PME settings:\n");
1099     fprintf(fplog, "           particle-particle                    PME\n");
1100     fprintf(fplog, "            rcoulomb  rlist            grid      spacing   1/beta\n");
1101     print_pme_loadbal_setting(fplog, "initial", &pme_lb->setup[0]);
1102     print_pme_loadbal_setting(fplog, "final", &pme_lb->setup[pme_lb->cur]);
1103     fprintf(fplog, " cost-ratio           %4.2f             %4.2f\n",
1104             pp_ratio, grid_ratio);
1105     fprintf(fplog, " (note that these numbers concern only part of the total PP and PME load)\n");
1106
1107     if (pp_ratio > 1.5 && !bNonBondedOnGPU)
1108     {
1109         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(
1110                 "NOTE: PME load balancing increased the non-bonded workload by more than 50%.\n"
1111                 "      For better performance, use (more) PME ranks (mdrun -npme),\n"
1112                 "      or if you are beyond the scaling limit, use fewer total ranks (or nodes).");
1113     }
1114     else
1115     {
1116         fprintf(fplog, "\n");
1117     }
1118 }
1119
1120 void pme_loadbal_done(pme_load_balancing_t *pme_lb,
1121                       FILE                 *fplog,
1122                       const gmx::MDLogger  &mdlog,
1123                       gmx_bool              bNonBondedOnGPU)
1124 {
1125     if (fplog != nullptr && (pme_lb->cur > 0 || pme_lb->elimited != epmelblimNO))
1126     {
1127         print_pme_loadbal_settings(pme_lb, fplog, mdlog, bNonBondedOnGPU);
1128     }
1129
1130     /* TODO: Here we should free all pointers in pme_lb,
1131      * but as it contains pme data structures,
1132      * we need to first make pme.c free all data.
1133      */
1134 }