src/gromacs/ewald/pme.cuh

   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  * \brief This file defines the PME CUDA-specific data structure,
  38  * various compile-time constants shared among the PME CUDA kernels,
  39  * and also names some PME CUDA memory management routines.
  40  * TODO: consider changing defines into variables where possible; have inline getters.
  41  *
  42  * \author Aleksei Iupinov <a.yupinov@gmail.com>
  43  */
  44
  45 #ifndef GMX_EWALD_PME_CUH
  46 #define GMX_EWALD_PME_CUH
  47
  48 #include <cassert>
  49
  50 #include <array>
  51 #include <set>
  52
  53 #include "gromacs/gpu_utils/cuda_arch_utils.cuh" // for warp_size
  54
  55 #include "pme-gpu-internal.h"                    // for the general PME GPU behaviour defines
  56 #include "pme-timings.cuh"
  57
  58 class GpuParallel3dFft;
  59
  60 /* Some defines for PME behaviour follow */
  61
  62 /*
  63     Here is a current memory layout for the theta/dtheta B-spline float parameter arrays.
  64     This is the data in global memory used both by spreading and gathering kernels (with same scheduling).
  65     This example has PME order 4 and 2 particles per warp/data chunk.
  66     Each particle has 16 threads assigned to it, each thread works on 4 non-sequential global grid contributions.
  67
  68     ----------------------------------------------------------------------------
  69     particles 0, 1                                        | particles 2, 3     | ...
  70     ----------------------------------------------------------------------------
  71     order index 0           | index 1 | index 2 | index 3 | order index 0 .....
  72     ----------------------------------------------------------------------------
  73     tx0 tx1 ty0 ty1 tz0 tz1 | ..........
  74     ----------------------------------------------------------------------------
  75
  76     Each data chunk for a single warp is 24 floats. This goes both for theta and dtheta.
  77     24 = 2 particles per warp * order 4 * 3 dimensions. 48 floats (1.5 warp size) per warp in total.
  78     I have also tried intertwining theta and theta in a single array (they are used in pairs in gathering stage anyway)
  79     and it didn't seem to make a performance difference.
  80
  81     The corresponding defines follow.
  82  */
  83
  84 /* This is the distance between the neighbour theta elements - would be 2 for the intertwining layout */
  85 #define PME_SPLINE_THETA_STRIDE 1
  86
  87 /*! \brief
  88  * The number of GPU threads used for computing spread/gather contributions of a single atom as function of the PME order.
  89  * The assumption is currently that any thread processes only a single atom's contributions.
  90  */
  91 #define PME_SPREADGATHER_THREADS_PER_ATOM (order * order)
  92
  93 /*! \brief
  94  * The number of atoms processed by a single warp in spread/gather.
  95  * This macro depends on the templated order parameter (2 atoms per warp for order 4).
  96  * It is mostly used for spline data layout tweaked for coalesced access.
  97  */
  98 #define PME_SPREADGATHER_ATOMS_PER_WARP (warp_size / PME_SPREADGATHER_THREADS_PER_ATOM)
  99
 100 /*! \brief
 101  * Atom data alignment (in terms of number of atoms).
 102  * If the GPU atom data buffers are padded (c_usePadding == true),
 103  * Then the numbers of atoms which would fit in the padded GPU buffers has to be divisible by this.
 104  * The literal number (16) expresses maximum spread/gather block width in warps.
 105  * Accordingly, spread and gather block widths in warps should be divisors of this
 106  * (e.g. in the pme-spread.cu: constexpr int c_spreadMaxThreadsPerBlock = 8 * warp_size;).
 107  * There are debug asserts for this divisibility.
 108  */
 109 #define PME_ATOM_DATA_ALIGNMENT (16 * PME_SPREADGATHER_ATOMS_PER_WARP)
 110
 111 /*! \brief \internal
 112  * An inline CUDA function for checking the global atom data indices against the atom data array sizes.
 113  *
 114  * \param[in] atomDataIndexGlobal  The atom data index.
 115  * \param[in] nAtomData            The atom data array element count.
 116  * \returns                        Non-0 if index is within bounds (or PME data padding is enabled), 0 otherwise.
 117  *
 118  * This is called from the spline_and_spread and gather PME kernels.
 119  * The goal is to isolate the global range checks, and allow avoiding them with c_usePadding enabled.
 120  */
 121 int __device__ __forceinline__ pme_gpu_check_atom_data_index(const int atomDataIndex, const int nAtomData)
 122 {
 123     return c_usePadding ? 1 : (atomDataIndex < nAtomData);
 124 }
 125
 126 /*! \brief \internal
 127  * An inline CUDA function for skipping the zero-charge atoms.
 128  *
 129  * \returns                        Non-0 if atom should be processed, 0 otherwise.
 130  * \param[in] coefficient          The atom charge.
 131  *
 132  * This is called from the spline_and_spread and gather PME kernels.
 133  */
 134 int __device__ __forceinline__ pme_gpu_check_atom_charge(const float coefficient)
 135 {
 136     assert(isfinite(coefficient));
 137     return c_skipNeutralAtoms ? (coefficient != 0.0f) : 1;
 138 }
 139
 140 /*! \brief \internal
 141  * The main PME CUDA-specific host data structure, included in the PME GPU structure by the archSpecific pointer.
 142  */
 143 struct pme_gpu_cuda_t
 144 {
 145     /*! \brief The CUDA stream where everything related to the PME happens. */
 146     cudaStream_t pmeStream;
 147
 148     /* Synchronization events */
 149     /*! \brief Triggered after the energy/virial have been copied to the host (after the solving stage). */
 150     cudaEvent_t syncEnerVirD2H;
 151     /*! \brief Triggered after the output forces have been copied to the host (after the gathering stage). */
 152     cudaEvent_t syncForcesD2H;
 153     /*! \brief Triggered after the grid has been copied to the host (after the spreading stage). */
 154     cudaEvent_t syncSpreadGridD2H;
 155     /*! \brief Triggered after the atom spline data has been copied to the host (after the spline computation). */
 156     cudaEvent_t syncSplineAtomDataD2H;
 157     /*! \brief Triggered after the grid hes been copied to the host (after the solving stage) */
 158     cudaEvent_t syncSolveGridD2H;
 159
 160     // TODO: consider moving some things below into the non-CUDA struct.
 161
 162     /* Settings which are set at the start of the run */
 163     /*! \brief A boolean which tells whether the complex and real grids for cuFFT are different or same. Currenty true. */
 164     bool performOutOfPlaceFFT;
 165     /*! \brief A boolean which tells if the CUDA timing events are enabled.
 166      * True by default, disabled by setting the environment variable GMX_DISABLE_CUDA_TIMING.
 167      * FIXME: this should also be disabled if any other GPU task is running concurrently on the same device,
 168      * as CUDA events on multiple streams are untrustworthy.
 169      */
 170     bool                                             useTiming;
 171
 172     std::vector<std::unique_ptr<GpuParallel3dFft > > fftSetup;
 173
 174     std::array<GpuRegionTimer, gtPME_EVENT_COUNT>    timingEvents;
 175
 176     std::set<size_t>                                 activeTimers; // indices into timingEvents
 177
 178     /* GPU arrays element counts (not the arrays sizes in bytes!).
 179      * They might be larger than the actual meaningful data sizes.
 180      * These are paired: the actual element count + the maximum element count that can fit in the current allocated memory.
 181      * These integer pairs are mostly meaningful for the cu_realloc/free_buffered calls.
 182      * As such, if cu_realloc/free_buffered is refactored, they can be freely changed, too.
 183      * The only exceptions are realGridSize and complexGridSize which are also used for grid clearing/copying.
 184      * TODO: these should live in a clean buffered container type, and be refactored in the NB/cudautils as well.
 185      */
 186     /*! \brief The kernelParams.atoms.coordinates float element count (actual)*/
 187     int coordinatesSize;
 188     /*! \brief The kernelParams.atoms.coordinates float element count (reserved) */
 189     int coordinatesSizeAlloc;
 190     /*! \brief The kernelParams.atoms.forces float element count (actual) */
 191     int forcesSize;
 192     /*! \brief The kernelParams.atoms.forces float element count (reserved) */
 193     int forcesSizeAlloc;
 194     /*! \brief The kernelParams.atoms.gridlineIndices int element count (actual) */
 195     int gridlineIndicesSize;
 196     /*! \brief The kernelParams.atoms.gridlineIndices int element count (reserved) */
 197     int gridlineIndicesSizeAlloc;
 198     /*! \brief Both the kernelParams.atoms.theta and kernelParams.atoms.dtheta float element count (actual) */
 199     int splineDataSize;
 200     /*! \brief Both the kernelParams.atoms.theta and kernelParams.atoms.dtheta float element count (reserved) */
 201     int splineDataSizeAlloc;
 202     /*! \brief The kernelParams.atoms.coefficients float element count (actual) */
 203     int coefficientsSize;
 204     /*! \brief The kernelParams.atoms.coefficients float element count (reserved) */
 205     int coefficientsSizeAlloc;
 206     /*! \brief The kernelParams.grid.splineValuesArray float element count (actual) */
 207     int splineValuesSize;
 208     /*! \brief The kernelParams.grid.splineValuesArray float element count (reserved) */
 209     int splineValuesSizeAlloc;
 210     /*! \brief The kernelParams.grid.realGrid float element count (actual) */
 211     int realGridSize;
 212     /*! \brief The kernelParams.grid.realGrid float element count (reserved) */
 213     int realGridSizeAlloc;
 214     /*! \brief The kernelParams.grid.fourierGrid float (not float2!) element count (actual) */
 215     int complexGridSize;
 216     /*! \brief The kernelParams.grid.fourierGrid float (not float2!) element count (reserved) */
 217     int complexGridSizeAlloc;
 218 };
 219
 220
 221 /*! \brief \internal
 222  * A single structure encompassing all the PME data used in CUDA kernels.
 223  * This inherits from pme_gpu_kernel_params_base_t and adds a couple cudaTextureObject_t handles,
 224  * which we would like to avoid in plain C++.
 225  */
 226 struct pme_gpu_cuda_kernel_params_t : pme_gpu_kernel_params_base_t
 227 {
 228     /* These are CUDA texture objects, related to the grid size. */
 229     /*! \brief CUDA texture object for accessing grid.d_fractShiftsTable */
 230     cudaTextureObject_t fractShiftsTableTexture;
 231     /*! \brief CUDA texture object for accessing grid.d_gridlineIndicesTable */
 232     cudaTextureObject_t gridlineIndicesTableTexture;
 233 };
 234
 235 /* CUDA texture reference functions which reside in respective kernel files
 236  * (due to texture references having scope of a translation unit).
 237  */
 238 /*! Returns the reference to the gridlineIndices texture. */
 239 const struct texture<int, 1, cudaReadModeElementType>   &pme_gpu_get_gridline_texref();
 240 /*! Returns the reference to the fractShifts texture. */
 241 const struct texture<float, 1, cudaReadModeElementType> &pme_gpu_get_fract_shifts_texref();
 242
 243 #endif