bfdc3fc0e717c1f5402e33bec0f9f872dc4cd813
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / ewald / pme_gpu_calculate_splines.cuh
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2016,2017,2018,2019,2020, 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 Implements helper routines for PME gather and spline routines.
38  *
39  *  \author Aleksei Iupinov <a.yupinov@gmail.com>
40  */
41
42 #include "gmxpre.h"
43
44 #include <cassert>
45
46 #include "gromacs/gpu_utils/cuda_kernel_utils.cuh"
47
48 #include "pme.cuh"
49 #include "pme_grid.h"
50
51 /*! \internal \brief
52  * Gets a base of the unique index to an element in a spline parameter buffer (theta/dtheta),
53  * which is laid out for GPU spread/gather kernels. The base only corresponds to the atom index within the execution block.
54  * Feed the result into getSplineParamIndex() to get a full index.
55  * TODO: it's likely that both parameters can be just replaced with a single atom index, as they are derived from it.
56  * Do that, verifying that the generated code is not bloated, and/or revise the spline indexing scheme.
57  * Removing warp dependency would also be nice (and would probably coincide with removing c_pmeSpreadGatherAtomsPerWarp).
58  *
59  * \tparam order               PME order
60  * \tparam atomsPerWarp        Number of atoms processed by a warp
61  * \param[in] warpIndex        Warp index wrt the block.
62  * \param[in] atomWarpIndex    Atom index wrt the warp (from 0 to atomsPerWarp - 1).
63  *
64  * \returns Index into theta or dtheta array using GPU layout.
65  */
66 template<int order, int atomsPerWarp>
67 int __device__ __forceinline__ getSplineParamIndexBase(int warpIndex, int atomWarpIndex)
68 {
69     assert((atomWarpIndex >= 0) && (atomWarpIndex < atomsPerWarp));
70     const int dimIndex    = 0;
71     const int splineIndex = 0;
72     // The zeroes are here to preserve the full index formula for reference
73     return (((splineIndex + order * warpIndex) * DIM + dimIndex) * atomsPerWarp + atomWarpIndex);
74 }
75
76 /*! \internal \brief
77  * Gets a unique index to an element in a spline parameter buffer (theta/dtheta),
78  * which is laid out for GPU spread/gather kernels. The index is wrt to the execution block,
79  * in range(0, atomsPerBlock * order * DIM).
80  * This function consumes result of getSplineParamIndexBase() and adjusts it for \p dimIndex and \p splineIndex.
81  *
82  * \tparam order               PME order
83  * \tparam atomsPerWarp        Number of atoms processed by a warp
84  * \param[in] paramIndexBase   Must be result of getSplineParamIndexBase().
85  * \param[in] dimIndex         Dimension index (from 0 to 2)
86  * \param[in] splineIndex      Spline contribution index (from 0 to \p order - 1)
87  *
88  * \returns Index into theta or dtheta array using GPU layout.
89  */
90 template<int order, int atomsPerWarp>
91 int __device__ __forceinline__ getSplineParamIndex(int paramIndexBase, int dimIndex, int splineIndex)
92 {
93     assert((dimIndex >= XX) && (dimIndex < DIM));
94     assert((splineIndex >= 0) && (splineIndex < order));
95     return (paramIndexBase + (splineIndex * DIM + dimIndex) * atomsPerWarp);
96 }
97
98 /*! \internal \brief
99  * An inline CUDA function for skipping the zero-charge atoms.
100  *
101  * \returns                        Non-0 if atom should be processed, 0 otherwise.
102  * \param[in] coefficient          The atom charge.
103  *
104  * This is called from the spline_and_spread and gather PME kernels.
105  */
106 int __device__ __forceinline__ pme_gpu_check_atom_charge(const float coefficient)
107 {
108     assert(isfinite(coefficient));
109     return c_skipNeutralAtoms ? (coefficient != 0.0f) : 1;
110 }
111
112 //! Controls if the atom and charge data is prefeched into shared memory or loaded per thread from global
113 static const bool c_useAtomDataPrefetch = true;
114
115 /*! \brief Asserts if the argument is finite.
116  *
117  *  The function works for any data type, that can be casted to float. Note that there is also
118  *  a specialized implementation for float3 data type.
119  *
120  * \param[in] arg  Argument to check.
121  */
122 template<typename T>
123 __device__ inline void assertIsFinite(T arg);
124
125 template<>
126 __device__ inline void assertIsFinite(float3 arg)
127 {
128     assert(isfinite(float(arg.x)));
129     assert(isfinite(float(arg.y)));
130     assert(isfinite(float(arg.z)));
131 }
132
133 template<typename T>
134 __device__ inline void assertIsFinite(T arg)
135 {
136     assert(isfinite(float(arg)));
137 }
138
139 /*! \brief
140  * General purpose function for loading atom-related data from global to shared memory.
141  *
142  * \tparam[in] T                 Data type (float/int/...)
143  * \tparam[in] atomsPerBlock     Number of atoms processed by a block - should be
144  *                               accounted for in the size of the shared memory array.
145  * \tparam[in] dataCountPerAtom  Number of data elements per single atom (e.g. DIM for
146  *                               an rvec coordinates array).
147  * \param[out] sm_destination    Shared memory array for output.
148  * \param[in]  gm_source         Global memory array for input.
149  */
150 template<typename T, int atomsPerBlock, int dataCountPerAtom>
151 __device__ __forceinline__ void pme_gpu_stage_atom_data(T* __restrict__ sm_destination,
152                                                         const T* __restrict__ gm_source)
153 {
154     const int blockIndex       = blockIdx.y * gridDim.x + blockIdx.x;
155     const int threadLocalIndex = ((threadIdx.z * blockDim.y + threadIdx.y) * blockDim.x) + threadIdx.x;
156     const int localIndex       = threadLocalIndex;
157     const int globalIndexBase = blockIndex * atomsPerBlock * dataCountPerAtom;
158     const int globalIndex     = globalIndexBase + localIndex;
159     if (localIndex < atomsPerBlock * dataCountPerAtom)
160     {
161         assertIsFinite(gm_source[globalIndex]);
162         sm_destination[localIndex] = gm_source[globalIndex];
163     }
164 }
165
166 /*! \brief
167  * PME GPU spline parameter and gridline indices calculation.
168  * This corresponds to the CPU functions calc_interpolation_idx() and make_bsplines().
169  * First stage of the whole kernel.
170  *
171  * \tparam[in] order                PME interpolation order.
172  * \tparam[in] atomsPerBlock        Number of atoms processed by a block - should be accounted for
173  *                                  in the sizes of the shared memory arrays.
174  * \tparam[in] atomsPerWarp         Number of atoms processed by a warp
175  * \tparam[in] writeSmDtheta        Bool controling if the theta derivative should be written to shared memory. Enables calculation of dtheta if set.
176  * \tparam[in] writeGlobal          A boolean which tells if the theta values and gridlines should be written to global memory. Enables calculation of dtheta if set.
177  * \param[in]  kernelParams         Input PME CUDA data in constant memory.
178  * \param[in]  atomIndexOffset      Starting atom index for the execution block w.r.t. global memory.
179  * \param[in]  atomX                Atom coordinate of atom processed by thread.
180  * \param[in]  atomCharge           Atom charge/coefficient of atom processed by thread.
181  * \param[out] sm_theta             Atom spline values in the shared memory.
182  * \param[out] sm_dtheta            Derivative of atom spline values in shared memory.
183  * \param[out] sm_gridlineIndices   Atom gridline indices in the shared memory.
184  */
185
186 template<int order, int atomsPerBlock, int atomsPerWarp, bool writeSmDtheta, bool writeGlobal>
187 __device__ __forceinline__ void calculate_splines(const PmeGpuCudaKernelParams kernelParams,
188                                                   const int                    atomIndexOffset,
189                                                   const float3                 atomX,
190                                                   const float                  atomCharge,
191                                                   float* __restrict__ sm_theta,
192                                                   float* __restrict__ sm_dtheta,
193                                                   int* __restrict__ sm_gridlineIndices)
194 {
195     /* Global memory pointers for output */
196     float* __restrict__ gm_theta         = kernelParams.atoms.d_theta;
197     float* __restrict__ gm_dtheta        = kernelParams.atoms.d_dtheta;
198     int* __restrict__ gm_gridlineIndices = kernelParams.atoms.d_gridlineIndices;
199
200     /* Fractional coordinates */
201     __shared__ float sm_fractCoords[atomsPerBlock * DIM];
202
203     /* Thread index w.r.t. block */
204     const int threadLocalId =
205             (threadIdx.z * (blockDim.x * blockDim.y)) + (threadIdx.y * blockDim.x) + threadIdx.x;
206     /* Warp index w.r.t. block - could probably be obtained easier? */
207     const int warpIndex = threadLocalId / warp_size;
208     /* Atom index w.r.t. warp - alternating 0 1 0 1 .. */
209     const int atomWarpIndex = threadIdx.z % atomsPerWarp;
210     /* Atom index w.r.t. block/shared memory */
211     const int atomIndexLocal = warpIndex * atomsPerWarp + atomWarpIndex;
212
213     /* Spline contribution index in one dimension */
214     const int threadLocalIdXY = (threadIdx.y * blockDim.x) + threadIdx.x;
215     const int orderIndex      = threadLocalIdXY / DIM;
216     /* Dimension index */
217     const int dimIndex = threadLocalIdXY % DIM;
218
219     /* Multi-purpose index of rvec/ivec atom data */
220     const int sharedMemoryIndex = atomIndexLocal * DIM + dimIndex;
221
222     float splineData[order];
223
224     const int localCheck = (dimIndex < DIM) && (orderIndex < 1);
225
226     /* we have 4 threads per atom, but can only use 3 here for the dimensions */
227     if (localCheck)
228     {
229         /* Indices interpolation */
230
231         if (orderIndex == 0)
232         {
233             int   tableIndex, tInt;
234             float n, t;
235             assert(atomIndexLocal < DIM * atomsPerBlock);
236             /* Accessing fields in fshOffset/nXYZ/recipbox/... with dimIndex offset
237              * puts them into local memory(!) instead of accessing the constant memory directly.
238              * That's the reason for the switch, to unroll explicitly.
239              * The commented parts correspond to the 0 components of the recipbox.
240              */
241             switch (dimIndex)
242             {
243                 case XX:
244                     tableIndex = kernelParams.grid.tablesOffsets[XX];
245                     n          = kernelParams.grid.realGridSizeFP[XX];
246                     t          = atomX.x * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][XX]
247                         + atomX.y * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][YY]
248                         + atomX.z * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][ZZ];
249                     break;
250
251                 case YY:
252                     tableIndex = kernelParams.grid.tablesOffsets[YY];
253                     n          = kernelParams.grid.realGridSizeFP[YY];
254                     t = /*atomX.x * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][XX] + */ atomX.y
255                                 * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][YY]
256                         + atomX.z * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][ZZ];
257                     break;
258
259                 case ZZ:
260                     tableIndex = kernelParams.grid.tablesOffsets[ZZ];
261                     n          = kernelParams.grid.realGridSizeFP[ZZ];
262                     t          = /*atomX.x * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][XX] + atomX.y * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][YY] + */ atomX
263                                 .z
264                         * kernelParams.current.recipBox[dimIndex][ZZ];
265                     break;
266             }
267             const float shift = c_pmeMaxUnitcellShift;
268             /* Fractional coordinates along box vectors, adding a positive shift to ensure t is positive for triclinic boxes */
269             t    = (t + shift) * n;
270             tInt = (int)t;
271             assert(sharedMemoryIndex < atomsPerBlock * DIM);
272             sm_fractCoords[sharedMemoryIndex] = t - tInt;
273             tableIndex += tInt;
274             assert(tInt >= 0);
275             assert(tInt < c_pmeNeighborUnitcellCount * n);
276
277             // TODO have shared table for both parameters to share the fetch, as index is always same?
278             // TODO compare texture/LDG performance
279             sm_fractCoords[sharedMemoryIndex] +=
280                     fetchFromParamLookupTable(kernelParams.grid.d_fractShiftsTable,
281                                               kernelParams.fractShiftsTableTexture, tableIndex);
282             sm_gridlineIndices[sharedMemoryIndex] =
283                     fetchFromParamLookupTable(kernelParams.grid.d_gridlineIndicesTable,
284                                               kernelParams.gridlineIndicesTableTexture, tableIndex);
285             if (writeGlobal)
286             {
287                 gm_gridlineIndices[atomIndexOffset * DIM + sharedMemoryIndex] =
288                         sm_gridlineIndices[sharedMemoryIndex];
289             }
290         }
291
292         /* B-spline calculation */
293
294         const int chargeCheck = pme_gpu_check_atom_charge(atomCharge);
295         if (chargeCheck)
296         {
297             float div;
298             int o = orderIndex; // This is an index that is set once for PME_GPU_PARALLEL_SPLINE == 1
299
300             const float dr = sm_fractCoords[sharedMemoryIndex];
301             assert(isfinite(dr));
302
303             /* dr is relative offset from lower cell limit */
304             splineData[order - 1] = 0.0f;
305             splineData[1]         = dr;
306             splineData[0]         = 1.0f - dr;
307
308 #pragma unroll
309             for (int k = 3; k < order; k++)
310             {
311                 div               = 1.0f / (k - 1.0f);
312                 splineData[k - 1] = div * dr * splineData[k - 2];
313 #pragma unroll
314                 for (int l = 1; l < (k - 1); l++)
315                 {
316                     splineData[k - l - 1] =
317                             div * ((dr + l) * splineData[k - l - 2] + (k - l - dr) * splineData[k - l - 1]);
318                 }
319                 splineData[0] = div * (1.0f - dr) * splineData[0];
320             }
321
322             const int thetaIndexBase =
323                     getSplineParamIndexBase<order, atomsPerWarp>(warpIndex, atomWarpIndex);
324             const int thetaGlobalOffsetBase = atomIndexOffset * DIM * order;
325             /* only calculate dtheta if we are saving it to shared or global memory */
326             if (writeSmDtheta || writeGlobal)
327             {
328                 /* Differentiation and storing the spline derivatives (dtheta) */
329 #pragma unroll
330                 for (o = 0; o < order; o++)
331                 {
332                     const int thetaIndex =
333                             getSplineParamIndex<order, atomsPerWarp>(thetaIndexBase, dimIndex, o);
334
335                     const float dtheta = ((o > 0) ? splineData[o - 1] : 0.0f) - splineData[o];
336                     assert(isfinite(dtheta));
337                     assert(thetaIndex < order * DIM * atomsPerBlock);
338                     if (writeSmDtheta)
339                     {
340                         sm_dtheta[thetaIndex] = dtheta;
341                     }
342                     if (writeGlobal)
343                     {
344                         const int thetaGlobalIndex  = thetaGlobalOffsetBase + thetaIndex;
345                         gm_dtheta[thetaGlobalIndex] = dtheta;
346                     }
347                 }
348             }
349
350             div                   = 1.0f / (order - 1.0f);
351             splineData[order - 1] = div * dr * splineData[order - 2];
352 #pragma unroll
353             for (int k = 1; k < (order - 1); k++)
354             {
355                 splineData[order - k - 1] = div
356                                             * ((dr + k) * splineData[order - k - 2]
357                                                + (order - k - dr) * splineData[order - k - 1]);
358             }
359             splineData[0] = div * (1.0f - dr) * splineData[0];
360
361             /* Storing the spline values (theta) */
362 #pragma unroll
363             for (o = 0; o < order; o++)
364             {
365                 const int thetaIndex =
366                         getSplineParamIndex<order, atomsPerWarp>(thetaIndexBase, dimIndex, o);
367                 assert(thetaIndex < order * DIM * atomsPerBlock);
368                 sm_theta[thetaIndex] = splineData[o];
369                 assert(isfinite(sm_theta[thetaIndex]));
370                 if (writeGlobal)
371                 {
372                     const int thetaGlobalIndex = thetaGlobalOffsetBase + thetaIndex;
373                     gm_theta[thetaGlobalIndex] = splineData[o];
374                 }
375             }
376         }
377     }
378 }