fab16ec2b7c201f2a16159994ddb29e9ca84458f
[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, 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 "config.h"
49
50 #include <assert.h>
51
52 #include <cmath>
53
54 #include <algorithm>
55
56 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
57 #include "gromacs/domdec/domdec_network.h"
58 #include "gromacs/legacyheaders/calcgrid.h"
59 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
60 #include "gromacs/legacyheaders/md_logging.h"
61 #include "gromacs/legacyheaders/network.h"
62 #include "gromacs/legacyheaders/sim_util.h"
63 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
64 #include "gromacs/math/vec.h"
65 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
66 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
67 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
68 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
69 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
70
71 #include "pme-internal.h"
72
73 /*! \brief Parameters and settings for one PP-PME setup */
74 struct pme_setup_t {
75     real              rcut_coulomb;    /**< Coulomb cut-off                              */
76     real              rlist;           /**< pair-list cut-off                            */
77     real              rlistlong;       /**< LR pair-list cut-off                         */
78     int               nstcalclr;       /**< frequency of evaluating long-range forces for group scheme */
79     real              spacing;         /**< (largest) PME grid spacing                   */
80     ivec              grid;            /**< the PME grid dimensions                      */
81     real              grid_efficiency; /**< ineffiency factor for non-uniform grids <= 1 */
82     real              ewaldcoeff_q;    /**< Electrostatic Ewald coefficient            */
83     real              ewaldcoeff_lj;   /**< LJ Ewald coefficient, only for the call to send_switchgrid */
84     struct gmx_pme_t *pmedata;         /**< the data structure used in the PME code      */
85     int               count;           /**< number of times this setup has been timed    */
86     double            cycles;          /**< the fastest time for this setup in cycles    */
87 };
88
89 /*! \brief After 50 nstlist periods of not observing imbalance: never tune PME */
90 const int  PMETunePeriod = 50;
91 /*! \brief Trigger PME load balancing at more than 5% PME overload */
92 const real loadBalanceTriggerFactor = 1.05;
93 /*! \brief In the initial scan, step by grids that are at least a factor 0.8 coarser */
94 const real gridScaleFactor = 0.8;
95 /*! \brief In the initial scan, try to skip grids with uneven x/y/z spacing,
96  * checking if the "efficiency" is more than 5% worse than the previous grid.
97  */
98 const real relativeEfficiencyFactor = 1.05;
99 /*! \brief Rerun until a run is 12% slower setups than the fastest run so far */
100 const real maxRelativeSlowdownAccepted = 1.12;
101 /*! \brief If setups get more than 2% faster, do another round to avoid
102  * choosing a slower setup due to acceleration or fluctuations.
103  */
104 const real maxFluctuationAccepted = 1.02;
105
106 /*! \brief Enumeration whose values describe the effect limiting the load balancing */
107 enum epmelb {
108     epmelblimNO, epmelblimBOX, epmelblimDD, epmelblimPMEGRID, epmelblimNR
109 };
110
111 /*! \brief Descriptive strings matching ::epmelb */
112 const char *pmelblim_str[epmelblimNR] =
113 { "no", "box size", "domain decompostion", "PME grid restriction" };
114
115 struct pme_load_balancing_t {
116     gmx_bool     bSepPMERanks;       /**< do we have separate PME ranks? */
117     gmx_bool     bActive;            /**< is PME tuning active? */
118     gmx_bool     bBalance;           /**< are we in the balancing phase, i.e. trying different setups? */
119     int          nstage;             /**< the current maximum number of stages */
120
121     real         cut_spacing;        /**< the minimum cutoff / PME grid spacing ratio */
122     real         rcut_vdw;           /**< Vdw cutoff (does not change) */
123     real         rcut_coulomb_start; /**< Initial electrostatics cutoff */
124     int          nstcalclr_start;    /**< Initial electrostatics cutoff */
125     real         rbuf_coulomb;       /**< the pairlist buffer size */
126     real         rbuf_vdw;           /**< the pairlist buffer size */
127     matrix       box_start;          /**< the initial simulation box */
128     int          n;                  /**< the count of setup as well as the allocation size */
129     pme_setup_t *setup;              /**< the PME+cutoff setups */
130     int          cur;                /**< the current setup */
131     int          fastest;            /**< fastest setup up till now */
132     int          start;              /**< start of setup range to consider in stage>0 */
133     int          end;                /**< end   of setup range to consider in stage>0 */
134     int          elimited;           /**< was the balancing limited, uses enum above */
135     int          cutoff_scheme;      /**< Verlet or group cut-offs */
136
137     int          stage;              /**< the current stage */
138
139     int          cycles_n;           /**< step cycle counter cummulative count */
140     double       cycles_c;           /**< step cycle counter cummulative cycles */
141 };
142
143 void pme_loadbal_init(pme_load_balancing_t **pme_lb_p,
144                       const t_inputrec *ir, matrix box,
145                       const interaction_const_t *ic,
146                       struct gmx_pme_t *pmedata,
147                       gmx_bool bUseGPU, gmx_bool bSepPMERanks,
148                       gmx_bool *bPrinting)
149 {
150     pme_load_balancing_t *pme_lb;
151     real                  spm, sp;
152     int                   d;
153
154     snew(pme_lb, 1);
155
156     pme_lb->bSepPMERanks  = bSepPMERanks;
157
158     /* Any number of stages >= 2 is supported */
159     pme_lb->nstage        = 2;
160
161     pme_lb->cutoff_scheme = ir->cutoff_scheme;
162
163     if (pme_lb->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
164     {
165         pme_lb->rbuf_coulomb = ic->rlist - ic->rcoulomb;
166         pme_lb->rbuf_vdw     = pme_lb->rbuf_coulomb;
167     }
168     else
169     {
170         if (ic->rcoulomb > ic->rlist)
171         {
172             pme_lb->rbuf_coulomb = ic->rlistlong - ic->rcoulomb;
173         }
174         else
175         {
176             pme_lb->rbuf_coulomb = ic->rlist - ic->rcoulomb;
177         }
178         if (ic->rvdw > ic->rlist)
179         {
180             pme_lb->rbuf_vdw = ic->rlistlong - ic->rvdw;
181         }
182         else
183         {
184             pme_lb->rbuf_vdw = ic->rlist - ic->rvdw;
185         }
186     }
187
188     copy_mat(box, pme_lb->box_start);
189     if (ir->ePBC == epbcXY && ir->nwall == 2)
190     {
191         svmul(ir->wall_ewald_zfac, pme_lb->box_start[ZZ], pme_lb->box_start[ZZ]);
192     }
193
194     pme_lb->n = 1;
195     snew(pme_lb->setup, pme_lb->n);
196
197     pme_lb->rcut_vdw                 = ic->rvdw;
198     pme_lb->rcut_coulomb_start       = ir->rcoulomb;
199     pme_lb->nstcalclr_start          = ir->nstcalclr;
200
201     pme_lb->cur                      = 0;
202     pme_lb->setup[0].rcut_coulomb    = ic->rcoulomb;
203     pme_lb->setup[0].rlist           = ic->rlist;
204     pme_lb->setup[0].rlistlong       = ic->rlistlong;
205     pme_lb->setup[0].nstcalclr       = ir->nstcalclr;
206     pme_lb->setup[0].grid[XX]        = ir->nkx;
207     pme_lb->setup[0].grid[YY]        = ir->nky;
208     pme_lb->setup[0].grid[ZZ]        = ir->nkz;
209     pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_q    = ic->ewaldcoeff_q;
210     pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_lj   = ic->ewaldcoeff_lj;
211
212     pme_lb->setup[0].pmedata         = pmedata;
213
214     spm = 0;
215     for (d = 0; d < DIM; d++)
216     {
217         sp = norm(pme_lb->box_start[d])/pme_lb->setup[0].grid[d];
218         if (sp > spm)
219         {
220             spm = sp;
221         }
222     }
223     pme_lb->setup[0].spacing = spm;
224
225     if (ir->fourier_spacing > 0)
226     {
227         pme_lb->cut_spacing = ir->rcoulomb/ir->fourier_spacing;
228     }
229     else
230     {
231         pme_lb->cut_spacing = ir->rcoulomb/pme_lb->setup[0].spacing;
232     }
233
234     pme_lb->stage = 0;
235
236     pme_lb->fastest  = 0;
237     pme_lb->start    = 0;
238     pme_lb->end      = 0;
239     pme_lb->elimited = epmelblimNO;
240
241     pme_lb->cycles_n = 0;
242     pme_lb->cycles_c = 0;
243
244     /* Tune with GPUs and/or separate PME ranks.
245      * When running only on a CPU without PME ranks, PME tuning will only help
246      * with small numbers of atoms in the cut-off sphere.
247      */
248     pme_lb->bActive  = (wallcycle_have_counter() && (bUseGPU || bSepPMERanks));
249
250     /* With GPUs and no separate PME ranks we can't measure the PP/PME
251      * imbalance, so we start balancing right away.
252      * Otherwise we only start balancing after we observe imbalance.
253      */
254     pme_lb->bBalance = (pme_lb->bActive && (bUseGPU && !bSepPMERanks));
255
256     *pme_lb_p  = pme_lb;
257
258     *bPrinting = pme_lb->bBalance;
259 }
260
261 /*! \brief Try to increase the cutoff during load balancing */
262 static gmx_bool pme_loadbal_increase_cutoff(pme_load_balancing_t *pme_lb,
263                                             int                   pme_order,
264                                             const gmx_domdec_t   *dd)
265 {
266     pme_setup_t *set;
267     int          npmeranks_x, npmeranks_y;
268     real         fac, sp;
269     real         tmpr_coulomb, tmpr_vdw;
270     int          d;
271     gmx_bool     grid_ok;
272
273     /* Try to add a new setup with next larger cut-off to the list */
274     pme_lb->n++;
275     srenew(pme_lb->setup, pme_lb->n);
276     set          = &pme_lb->setup[pme_lb->n-1];
277     set->pmedata = NULL;
278
279     get_pme_nnodes(dd, &npmeranks_x, &npmeranks_y);
280
281     fac = 1;
282     do
283     {
284         /* Avoid infinite while loop, which can occur at the minimum grid size.
285          * Note that in practice load balancing will stop before this point.
286          * The factor 2.1 allows for the extreme case in which only grids
287          * of powers of 2 are allowed (the current code supports more grids).
288          */
289         if (fac > 2.1)
290         {
291             pme_lb->n--;
292
293             return FALSE;
294         }
295
296         fac *= 1.01;
297         clear_ivec(set->grid);
298         sp = calc_grid(NULL, pme_lb->box_start,
299                        fac*pme_lb->setup[pme_lb->cur].spacing,
300                        &set->grid[XX],
301                        &set->grid[YY],
302                        &set->grid[ZZ]);
303
304         /* As here we can't easily check if one of the PME ranks
305          * uses threading, we do a conservative grid check.
306          * This means we can't use pme_order or less grid lines
307          * per PME rank along x, which is not a strong restriction.
308          */
309         gmx_pme_check_restrictions(pme_order,
310                                    set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ],
311                                    npmeranks_x, npmeranks_y,
312                                    TRUE,
313                                    FALSE,
314                                    &grid_ok);
315     }
316     while (sp <= 1.001*pme_lb->setup[pme_lb->cur].spacing || !grid_ok);
317
318     set->rcut_coulomb = pme_lb->cut_spacing*sp;
319     if (set->rcut_coulomb < pme_lb->rcut_coulomb_start)
320     {
321         /* This is unlikely, but can happen when e.g. continuing from
322          * a checkpoint after equilibration where the box shrank a lot.
323          * We want to avoid rcoulomb getting smaller than rvdw
324          * and there might be more issues with decreasing rcoulomb.
325          */
326         set->rcut_coulomb = pme_lb->rcut_coulomb_start;
327     }
328
329     if (pme_lb->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
330     {
331         set->rlist        = set->rcut_coulomb + pme_lb->rbuf_coulomb;
332         /* We dont use LR lists with Verlet, but this avoids if-statements in further checks */
333         set->rlistlong    = set->rlist;
334     }
335     else
336     {
337         tmpr_coulomb          = set->rcut_coulomb + pme_lb->rbuf_coulomb;
338         tmpr_vdw              = pme_lb->rcut_vdw + pme_lb->rbuf_vdw;
339         set->rlist            = std::min(tmpr_coulomb, tmpr_vdw);
340         set->rlistlong        = std::max(tmpr_coulomb, tmpr_vdw);
341
342         /* Set the long-range update frequency */
343         if (set->rlist == set->rlistlong)
344         {
345             /* No long-range interactions if the short-/long-range cutoffs are identical */
346             set->nstcalclr = 0;
347         }
348         else if (pme_lb->nstcalclr_start == 0 || pme_lb->nstcalclr_start == 1)
349         {
350             /* We were not doing long-range before, but now we are since rlist!=rlistlong */
351             set->nstcalclr = 1;
352         }
353         else
354         {
355             /* We were already doing long-range interactions from the start */
356             if (pme_lb->rcut_vdw > pme_lb->rcut_coulomb_start)
357             {
358                 /* We were originally doing long-range VdW-only interactions.
359                  * If rvdw is still longer than rcoulomb we keep the original nstcalclr,
360                  * but if the coulomb cutoff has become longer we should update the long-range
361                  * part every step.
362                  */
363                 set->nstcalclr = (tmpr_vdw > tmpr_coulomb) ? pme_lb->nstcalclr_start : 1;
364             }
365             else
366             {
367                 /* We were not doing any long-range interaction from the start,
368                  * since it is not possible to do twin-range coulomb for the PME interaction.
369                  */
370                 set->nstcalclr = 1;
371             }
372         }
373     }
374
375     set->spacing      = sp;
376     /* The grid efficiency is the size wrt a grid with uniform x/y/z spacing */
377     set->grid_efficiency = 1;
378     for (d = 0; d < DIM; d++)
379     {
380         set->grid_efficiency *= (set->grid[d]*sp)/norm(pme_lb->box_start[d]);
381     }
382     /* The Ewald coefficient is inversly proportional to the cut-off */
383     set->ewaldcoeff_q =
384         pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_q*pme_lb->setup[0].rcut_coulomb/set->rcut_coulomb;
385     /* We set ewaldcoeff_lj in set, even when LJ-PME is not used */
386     set->ewaldcoeff_lj =
387         pme_lb->setup[0].ewaldcoeff_lj*pme_lb->setup[0].rcut_coulomb/set->rcut_coulomb;
388
389     set->count   = 0;
390     set->cycles  = 0;
391
392     if (debug)
393     {
394         fprintf(debug, "PME loadbal: grid %d %d %d, coulomb cutoff %f\n",
395                 set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ], set->rcut_coulomb);
396     }
397     return TRUE;
398 }
399
400 /*! \brief Print the PME grid */
401 static void print_grid(FILE *fp_err, FILE *fp_log,
402                        const char *pre,
403                        const char *desc,
404                        const pme_setup_t *set,
405                        double cycles)
406 {
407     char buf[STRLEN], buft[STRLEN];
408
409     if (cycles >= 0)
410     {
411         sprintf(buft, ": %.1f M-cycles", cycles*1e-6);
412     }
413     else
414     {
415         buft[0] = '\0';
416     }
417     sprintf(buf, "%-11s%10s pme grid %d %d %d, coulomb cutoff %.3f%s",
418             pre,
419             desc, set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ], set->rcut_coulomb,
420             buft);
421     if (fp_err != NULL)
422     {
423         fprintf(fp_err, "\r%s\n", buf);
424     }
425     if (fp_log != NULL)
426     {
427         fprintf(fp_log, "%s\n", buf);
428     }
429 }
430
431 /*! \brief Return the index of the last setup used in PME load balancing */
432 static int pme_loadbal_end(pme_load_balancing_t *pme_lb)
433 {
434     /* In the initial stage only n is set; end is not set yet */
435     if (pme_lb->end > 0)
436     {
437         return pme_lb->end;
438     }
439     else
440     {
441         return pme_lb->n;
442     }
443 }
444
445 /*! \brief Print descriptive string about what limits PME load balancing */
446 static void print_loadbal_limited(FILE *fp_err, FILE *fp_log,
447                                   gmx_int64_t step,
448                                   pme_load_balancing_t *pme_lb)
449 {
450     char buf[STRLEN], sbuf[22];
451
452     sprintf(buf, "step %4s: the %s limits the PME load balancing to a coulomb cut-off of %.3f",
453             gmx_step_str(step, sbuf),
454             pmelblim_str[pme_lb->elimited],
455             pme_lb->setup[pme_loadbal_end(pme_lb)-1].rcut_coulomb);
456     if (fp_err != NULL)
457     {
458         fprintf(fp_err, "\r%s\n", buf);
459     }
460     if (fp_log != NULL)
461     {
462         fprintf(fp_log, "%s\n", buf);
463     }
464 }
465
466 /*! \brief Switch load balancing to stage 1
467  *
468  * In this stage, only reasonably fast setups are run again. */
469 static void switch_to_stage1(pme_load_balancing_t *pme_lb)
470 {
471     pme_lb->start = 0;
472     while (pme_lb->start+1 < pme_lb->n &&
473            (pme_lb->setup[pme_lb->start].count == 0 ||
474             pme_lb->setup[pme_lb->start].cycles >
475             pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles*maxRelativeSlowdownAccepted))
476     {
477         pme_lb->start++;
478     }
479     while (pme_lb->start > 0 && pme_lb->setup[pme_lb->start-1].cycles == 0)
480     {
481         pme_lb->start--;
482     }
483
484     pme_lb->end = pme_lb->n;
485     if (pme_lb->setup[pme_lb->end-1].count > 0 &&
486         pme_lb->setup[pme_lb->end-1].cycles >
487         pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles*maxRelativeSlowdownAccepted)
488     {
489         pme_lb->end--;
490     }
491
492     pme_lb->stage = 1;
493
494     /* Next we want to choose setup pme_lb->start, but as we will increase
495      * pme_ln->cur by one right after returning, we subtract 1 here.
496      */
497     pme_lb->cur = pme_lb->start - 1;
498 }
499
500 /*! \brief Try to adjust the PME grid and Coulomb cut-off
501  *
502  * The adjustment is done to generate a different non-bonded PP and PME load.
503  * With separate PME ranks (PP and PME on different processes) or with
504  * a GPU (PP on GPU, PME on CPU), PP and PME run on different resources
505  * and changing the load will affect the load balance and performance.
506  * The total time for a set of integration steps is monitored and a range
507  * of grid/cut-off setups is scanned. After calling pme_load_balance many
508  * times and acquiring enough statistics, the best performing setup is chosen.
509  * Here we try to take into account fluctuations and changes due to external
510  * factors as well as DD load balancing.
511  * Returns TRUE the load balancing continues, FALSE is the balancing is done.
512  */
513 static gmx_bool
514 pme_load_balance(pme_load_balancing_t      *pme_lb,
515                  t_commrec                 *cr,
516                  FILE                      *fp_err,
517                  FILE                      *fp_log,
518                  t_inputrec                *ir,
519                  t_state                   *state,
520                  double                     cycles,
521                  interaction_const_t       *ic,
522                  struct nonbonded_verlet_t *nbv,
523                  struct gmx_pme_t **        pmedata,
524                  gmx_int64_t                step)
525 {
526     gmx_bool     OK;
527     pme_setup_t *set;
528     double       cycles_fast;
529     char         buf[STRLEN], sbuf[22];
530     real         rtab;
531
532     if (pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
533     {
534         return FALSE;
535     }
536
537     if (PAR(cr))
538     {
539         gmx_sumd(1, &cycles, cr);
540         cycles /= cr->nnodes;
541     }
542
543     set = &pme_lb->setup[pme_lb->cur];
544     set->count++;
545
546     rtab = ir->rlistlong + ir->tabext;
547
548     if (set->count % 2 == 1)
549     {
550         /* Skip the first cycle, because the first step after a switch
551          * is much slower due to allocation and/or caching effects.
552          */
553         return TRUE;
554     }
555
556     sprintf(buf, "step %4s: ", gmx_step_str(step, sbuf));
557     print_grid(fp_err, fp_log, buf, "timed with", set, cycles);
558
559     if (set->count <= 2)
560     {
561         set->cycles = cycles;
562     }
563     else
564     {
565         if (cycles*maxFluctuationAccepted < set->cycles &&
566             pme_lb->stage == pme_lb->nstage - 1)
567         {
568             /* The performance went up a lot (due to e.g. DD load balancing).
569              * Add a stage, keep the minima, but rescan all setups.
570              */
571             pme_lb->nstage++;
572
573             if (debug)
574             {
575                 fprintf(debug, "The performance for grid %d %d %d went from %.3f to %.1f M-cycles, this is more than %f\n"
576                         "Increased the number stages to %d"
577                         " and ignoring the previous performance\n",
578                         set->grid[XX], set->grid[YY], set->grid[ZZ],
579                         cycles*1e-6, set->cycles*1e-6, maxFluctuationAccepted,
580                         pme_lb->nstage);
581             }
582         }
583         set->cycles = std::min(set->cycles, cycles);
584     }
585
586     if (set->cycles < pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles)
587     {
588         pme_lb->fastest = pme_lb->cur;
589
590         if (DOMAINDECOMP(cr))
591         {
592             /* We found a new fastest setting, ensure that with subsequent
593              * shorter cut-off's the dynamic load balancing does not make
594              * the use of the current cut-off impossible. This solution is
595              * a trade-off, as the PME load balancing and DD domain size
596              * load balancing can interact in complex ways.
597              * With the Verlet kernels, DD load imbalance will usually be
598              * mainly due to bonded interaction imbalance, which will often
599              * quickly push the domain boundaries beyond the limit for the
600              * optimal, PME load balanced, cut-off. But it could be that
601              * better overal performance can be obtained with a slightly
602              * shorter cut-off and better DD load balancing.
603              */
604             change_dd_dlb_cutoff_limit(cr);
605         }
606     }
607     cycles_fast = pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles;
608
609     /* Check in stage 0 if we should stop scanning grids.
610      * Stop when the time is more than maxRelativeSlowDownAccepted longer than the fastest.
611      */
612     if (pme_lb->stage == 0 && pme_lb->cur > 0 &&
613         cycles > pme_lb->setup[pme_lb->fastest].cycles*maxRelativeSlowdownAccepted)
614     {
615         pme_lb->n = pme_lb->cur + 1;
616         /* Done with scanning, go to stage 1 */
617         switch_to_stage1(pme_lb);
618     }
619
620     if (pme_lb->stage == 0)
621     {
622         int gridsize_start;
623
624         gridsize_start = set->grid[XX]*set->grid[YY]*set->grid[ZZ];
625
626         do
627         {
628             if (pme_lb->cur+1 < pme_lb->n)
629             {
630                 /* We had already generated the next setup */
631                 OK = TRUE;
632             }
633             else
634             {
635                 /* Find the next setup */
636                 OK = pme_loadbal_increase_cutoff(pme_lb, ir->pme_order, cr->dd);
637
638                 if (!OK)
639                 {
640                     pme_lb->elimited = epmelblimPMEGRID;
641                 }
642             }
643
644             if (OK && ir->ePBC != epbcNONE)
645             {
646                 OK = (sqr(pme_lb->setup[pme_lb->cur+1].rlistlong)
647                       <= max_cutoff2(ir->ePBC, state->box));
648                 if (!OK)
649                 {
650                     pme_lb->elimited = epmelblimBOX;
651                 }
652             }
653
654             if (OK)
655             {
656                 pme_lb->cur++;
657
658                 if (DOMAINDECOMP(cr))
659                 {
660                     OK = change_dd_cutoff(cr, state, ir,
661                                           pme_lb->setup[pme_lb->cur].rlistlong);
662                     if (!OK)
663                     {
664                         /* Failed: do not use this setup */
665                         pme_lb->cur--;
666                         pme_lb->elimited = epmelblimDD;
667                     }
668                 }
669             }
670             if (!OK)
671             {
672                 /* We hit the upper limit for the cut-off,
673                  * the setup should not go further than cur.
674                  */
675                 pme_lb->n = pme_lb->cur + 1;
676                 print_loadbal_limited(fp_err, fp_log, step, pme_lb);
677                 /* Switch to the next stage */
678                 switch_to_stage1(pme_lb);
679             }
680         }
681         while (OK &&
682                !(pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid[XX]*
683                  pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid[YY]*
684                  pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid[ZZ] <
685                  gridsize_start*gridScaleFactor
686                  &&
687                  pme_lb->setup[pme_lb->cur].grid_efficiency <
688                  pme_lb->setup[pme_lb->cur-1].grid_efficiency*relativeEfficiencyFactor));
689     }
690
691     if (pme_lb->stage > 0 && pme_lb->end == 1)
692     {
693         pme_lb->cur   = 0;
694         pme_lb->stage = pme_lb->nstage;
695     }
696     else if (pme_lb->stage > 0 && pme_lb->end > 1)
697     {
698         /* If stage = nstage-1:
699          *   scan over all setups, rerunning only those setups
700          *   which are not much slower than the fastest
701          * else:
702          *   use the next setup
703          */
704         do
705         {
706             pme_lb->cur++;
707             if (pme_lb->cur == pme_lb->end)
708             {
709                 pme_lb->stage++;
710                 pme_lb->cur = pme_lb->start;
711             }
712         }
713         while (pme_lb->stage == pme_lb->nstage - 1 &&
714                pme_lb->setup[pme_lb->cur].count > 0 &&
715                pme_lb->setup[pme_lb->cur].cycles > cycles_fast*maxRelativeSlowdownAccepted);
716
717         if (pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
718         {
719             /* We are done optimizing, use the fastest setup we found */
720             pme_lb->cur = pme_lb->fastest;
721         }
722     }
723
724     if (DOMAINDECOMP(cr) && pme_lb->stage > 0)
725     {
726         OK = change_dd_cutoff(cr, state, ir, pme_lb->setup[pme_lb->cur].rlistlong);
727         if (!OK)
728         {
729             /* Failsafe solution */
730             if (pme_lb->cur > 1 && pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
731             {
732                 pme_lb->stage--;
733             }
734             pme_lb->fastest  = 0;
735             pme_lb->start    = 0;
736             pme_lb->end      = pme_lb->cur;
737             pme_lb->cur      = pme_lb->start;
738             pme_lb->elimited = epmelblimDD;
739             print_loadbal_limited(fp_err, fp_log, step, pme_lb);
740         }
741     }
742
743     /* Change the Coulomb cut-off and the PME grid */
744
745     set = &pme_lb->setup[pme_lb->cur];
746
747     ic->rcoulomb     = set->rcut_coulomb;
748     ic->rlist        = set->rlist;
749     ic->rlistlong    = set->rlistlong;
750     ir->nstcalclr    = set->nstcalclr;
751     ic->ewaldcoeff_q = set->ewaldcoeff_q;
752     /* TODO: centralize the code that sets the potentials shifts */
753     if (ic->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
754     {
755         ic->sh_ewald = gmx_erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb);
756     }
757     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
758     {
759         /* We have PME for both Coulomb and VdW, set rvdw equal to rcoulomb */
760         ic->rvdw            = set->rcut_coulomb;
761         ic->ewaldcoeff_lj   = set->ewaldcoeff_lj;
762         if (ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)
763         {
764             real       crc2;
765
766             ic->dispersion_shift.cpot = -std::pow(static_cast<double>(ic->rvdw), -6.0);
767             ic->repulsion_shift.cpot  = -std::pow(static_cast<double>(ic->rvdw), -12.0);
768             ic->sh_invrc6             = -ic->dispersion_shift.cpot;
769             crc2                      = sqr(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
770             ic->sh_lj_ewald           = (exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)*std::pow(static_cast<double>(ic->rvdw), -6.0);
771         }
772     }
773
774     /* We always re-initialize the tables whether they are used or not */
775     init_interaction_const_tables(NULL, ic, rtab);
776
777     nbnxn_gpu_pme_loadbal_update_param(nbv, ic);
778
779     /* With tMPI + GPUs some ranks may be sharing GPU(s) and therefore
780      * also sharing texture references. To keep the code simple, we don't
781      * treat texture references as shared resources, but this means that
782      * the coulomb_tab texture ref will get updated by multiple threads.
783      * Hence, to ensure that the non-bonded kernels don't start before all
784      * texture binding operations are finished, we need to wait for all ranks
785      * to arrive here before continuing.
786      *
787      * Note that we could omit this barrier if GPUs are not shared (or
788      * texture objects are used), but as this is initialization code, there
789      * is not point in complicating things.
790      */
791 #ifdef GMX_THREAD_MPI
792     if (PAR(cr) && use_GPU(nbv))
793     {
794         gmx_barrier(cr);
795     }
796 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
797
798     if (!pme_lb->bSepPMERanks)
799     {
800         if (pme_lb->setup[pme_lb->cur].pmedata == NULL)
801         {
802             /* Generate a new PME data structure,
803              * copying part of the old pointers.
804              */
805             gmx_pme_reinit(&set->pmedata,
806                            cr, pme_lb->setup[0].pmedata, ir,
807                            set->grid);
808         }
809         *pmedata = set->pmedata;
810     }
811     else
812     {
813         /* Tell our PME-only rank to switch grid */
814         gmx_pme_send_switchgrid(cr, set->grid, set->ewaldcoeff_q, set->ewaldcoeff_lj);
815     }
816
817     if (debug)
818     {
819         print_grid(NULL, debug, "", "switched to", set, -1);
820     }
821
822     if (pme_lb->stage == pme_lb->nstage)
823     {
824         print_grid(fp_err, fp_log, "", "optimal", set, -1);
825     }
826
827     return TRUE;
828 }
829
830 void pme_loadbal_do(pme_load_balancing_t *pme_lb,
831                     t_commrec            *cr,
832                     FILE                 *fp_err,
833                     FILE                 *fp_log,
834                     t_inputrec           *ir,
835                     t_forcerec           *fr,
836                     t_state              *state,
837                     gmx_wallcycle_t       wcycle,
838                     gmx_int64_t           step,
839                     gmx_int64_t           step_rel,
840                     gmx_bool             *bPrinting)
841 {
842     int    n_prev;
843     double cycles_prev;
844
845     assert(pme_lb != NULL);
846
847     if (!pme_lb->bActive)
848     {
849         return;
850     }
851
852     n_prev      = pme_lb->cycles_n;
853     cycles_prev = pme_lb->cycles_c;
854     wallcycle_get(wcycle, ewcSTEP, &pme_lb->cycles_n, &pme_lb->cycles_c);
855     if (pme_lb->cycles_n == 0)
856     {
857         /* Before the first step we haven't done any steps yet */
858         return;
859     }
860     /* Sanity check, we expect nstlist cycle counts */
861     if (pme_lb->cycles_n - n_prev != ir->nstlist)
862     {
863         /* We could return here, but it's safer to issue and error and quit */
864         gmx_incons("pme_loadbal_do called at an interval != nstlist");
865     }
866
867     /* PME grid + cut-off optimization with GPUs or PME ranks */
868     if (!pme_lb->bBalance && pme_lb->bSepPMERanks)
869     {
870         if (DDMASTER(cr->dd))
871         {
872             /* PME rank load is too high, start tuning */
873             pme_lb->bBalance = (dd_pme_f_ratio(cr->dd) >= loadBalanceTriggerFactor);
874         }
875         dd_bcast(cr->dd, sizeof(gmx_bool), &pme_lb->bBalance);
876
877         if (pme_lb->bBalance &&
878             use_GPU(fr->nbv) && DOMAINDECOMP(cr) &&
879             pme_lb->bSepPMERanks)
880         {
881             /* Lock DLB=auto to off (does nothing when DLB=yes/no).
882              * With GPUs + separate PME ranks, we don't want DLB.
883              * This could happen when we scan coarse grids and
884              * it would then never be turned off again.
885              * This would hurt performance at the final, optimal
886              * grid spacing, where DLB almost never helps.
887              * Also, DLB can limit the cut-off for PME tuning.
888              */
889             dd_dlb_set_lock(cr->dd, TRUE);
890         }
891     }
892
893     if (pme_lb->bBalance)
894     {
895         /* init_step might not be a multiple of nstlist,
896          * but the first cycle is always skipped anyhow.
897          */
898         pme_lb->bBalance =
899             pme_load_balance(pme_lb, cr,
900                              fp_err, fp_log,
901                              ir, state, pme_lb->cycles_c - cycles_prev,
902                              fr->ic, fr->nbv, &fr->pmedata,
903                              step);
904
905         /* Update constants in forcerec/inputrec to keep them in sync with fr->ic */
906         fr->ewaldcoeff_q  = fr->ic->ewaldcoeff_q;
907         fr->ewaldcoeff_lj = fr->ic->ewaldcoeff_lj;
908         fr->rlist         = fr->ic->rlist;
909         fr->rlistlong     = fr->ic->rlistlong;
910         fr->rcoulomb      = fr->ic->rcoulomb;
911         fr->rvdw          = fr->ic->rvdw;
912
913         if (ir->eDispCorr != edispcNO)
914         {
915             calc_enervirdiff(NULL, ir->eDispCorr, fr);
916         }
917
918         if (!pme_lb->bBalance &&
919             DOMAINDECOMP(cr) &&
920             dd_dlb_is_locked(cr->dd))
921         {
922             /* Unlock the DLB=auto, DLB is allowed to activate
923              * (but we don't expect it to activate in most cases).
924              */
925             dd_dlb_set_lock(cr->dd, FALSE);
926         }
927     }
928
929     if (!pme_lb->bBalance &&
930         (!pme_lb->bSepPMERanks || (step_rel <= PMETunePeriod*ir->nstlist)))
931     {
932         /* We have just deactivated the balancing and we're not measuring PP/PME
933          * imbalance during the first 50*nstlist steps: deactivate the tuning.
934          */
935         pme_lb->bActive = FALSE;
936     }
937
938     *bPrinting = pme_lb->bBalance;
939 }
940
941 void restart_pme_loadbal(pme_load_balancing_t *pme_lb, int n)
942 {
943     pme_lb->nstage += n;
944 }
945
946 /*! \brief Return product of the number of PME grid points in each dimension */
947 static int pme_grid_points(const pme_setup_t *setup)
948 {
949     return setup->grid[XX]*setup->grid[YY]*setup->grid[ZZ];
950 }
951
952 /*! \brief Retuern the largest short-range list cut-off radius */
953 static real pme_loadbal_rlist(const pme_setup_t *setup)
954 {
955     /* With the group cut-off scheme we can have twin-range either
956      * for Coulomb or for VdW, so we need a check here.
957      * With the Verlet cut-off scheme rlist=rlistlong.
958      */
959     if (setup->rcut_coulomb > setup->rlist)
960     {
961         return setup->rlistlong;
962     }
963     else
964     {
965         return setup->rlist;
966     }
967 }
968
969 /*! \brief Print one load-balancing setting */
970 static void print_pme_loadbal_setting(FILE              *fplog,
971                                       const char        *name,
972                                       const pme_setup_t *setup)
973 {
974     fprintf(fplog,
975             "   %-7s %6.3f nm %6.3f nm     %3d %3d %3d   %5.3f nm  %5.3f nm\n",
976             name,
977             setup->rcut_coulomb, pme_loadbal_rlist(setup),
978             setup->grid[XX], setup->grid[YY], setup->grid[ZZ],
979             setup->spacing, 1/setup->ewaldcoeff_q);
980 }
981
982 /*! \brief Print all load-balancing settings */
983 static void print_pme_loadbal_settings(pme_load_balancing_t *pme_lb,
984                                        t_commrec            *cr,
985                                        FILE                 *fplog,
986                                        gmx_bool              bNonBondedOnGPU)
987 {
988     double     pp_ratio, grid_ratio;
989     real       pp_ratio_temporary;
990
991     pp_ratio_temporary = pme_loadbal_rlist(&pme_lb->setup[pme_lb->cur])/pme_loadbal_rlist(&pme_lb->setup[0]);
992     pp_ratio           = std::pow(static_cast<double>(pp_ratio_temporary), 3.0);
993     grid_ratio         = pme_grid_points(&pme_lb->setup[pme_lb->cur])/
994         (double)pme_grid_points(&pme_lb->setup[0]);
995
996     fprintf(fplog, "\n");
997     fprintf(fplog, "       P P   -   P M E   L O A D   B A L A N C I N G\n");
998     fprintf(fplog, "\n");
999     /* Here we only warn when the optimal setting is the last one */
1000     if (pme_lb->elimited != epmelblimNO &&
1001         pme_lb->cur == pme_loadbal_end(pme_lb)-1)
1002     {
1003         fprintf(fplog, " NOTE: The PP/PME load balancing was limited by the %s,\n",
1004                 pmelblim_str[pme_lb->elimited]);
1005         fprintf(fplog, "       you might not have reached a good load balance.\n");
1006         if (pme_lb->elimited == epmelblimDD)
1007         {
1008             fprintf(fplog, "       Try different mdrun -dd settings or lower the -dds value.\n");
1009         }
1010         fprintf(fplog, "\n");
1011     }
1012     fprintf(fplog, " PP/PME load balancing changed the cut-off and PME settings:\n");
1013     fprintf(fplog, "           particle-particle                    PME\n");
1014     fprintf(fplog, "            rcoulomb  rlist            grid      spacing   1/beta\n");
1015     print_pme_loadbal_setting(fplog, "initial", &pme_lb->setup[0]);
1016     print_pme_loadbal_setting(fplog, "final", &pme_lb->setup[pme_lb->cur]);
1017     fprintf(fplog, " cost-ratio           %4.2f             %4.2f\n",
1018             pp_ratio, grid_ratio);
1019     fprintf(fplog, " (note that these numbers concern only part of the total PP and PME load)\n");
1020
1021     if (pp_ratio > 1.5 && !bNonBondedOnGPU)
1022     {
1023         md_print_warn(cr, fplog,
1024                       "NOTE: PME load balancing increased the non-bonded workload by more than 50%%.\n"
1025                       "      For better performance, use (more) PME ranks (mdrun -npme),\n"
1026                       "      or if you are beyond the scaling limit, use fewer total ranks (or nodes).\n");
1027     }
1028     else
1029     {
1030         fprintf(fplog, "\n");
1031     }
1032 }
1033
1034 void pme_loadbal_done(pme_load_balancing_t *pme_lb,
1035                       t_commrec            *cr,
1036                       FILE                 *fplog,
1037                       gmx_bool              bNonBondedOnGPU)
1038 {
1039     if (fplog != NULL && (pme_lb->cur > 0 || pme_lb->elimited != epmelblimNO))
1040     {
1041         print_pme_loadbal_settings(pme_lb, cr, fplog, bNonBondedOnGPU);
1042     }
1043
1044     /* TODO: Here we should free all pointers in pme_lb,
1045      * but as it contains pme data structures,
1046      * we need to first make pme.c free all data.
1047      */
1048 }