src/gromacs/ewald/pme_solve.clh

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 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 PME OpenCL solving kernel.
  38  * When including this and other PME OpenCL kernel files, plenty of common
  39  * constants/macros are expected to be defined.
  40  * For details, please see how pme_program.cl is compiled in pme_gpu_program_impl_ocl.cpp.
  41  *
  42  * This file's solving kernel specifically expects the following definitions for its flavors:
  43  *
  44  * - gridOrdering must be defined to either XYZ or YZX
  45  * and corresponds to the dimension order of the grid (GridOrdering enum in CUDA kernels);
  46  * - computeEnergyAndVirial must evaluate to true or false, and expresses
  47  * whether the reduction is performed.
  48  *
  49  *  \author Aleksei Iupinov <a.yupinov@gmail.com>
  50  */
  51
  52 #include "gromacs/gpu_utils/vectype_ops.clh"
  53
  54 #include "pme_gpu_types.h"
  55
  56 /*! \brief
  57  * PME complex grid solver kernel function.
  58  * Please see the file description for additional defines which this kernel expects.
  59  *
  60  * \param[in]     kernelParams         Input PME GPU data in constant memory.
  61  * \param[in]     gm_splineModuli      B-Spline moduli.
  62  * \param[out]    gm_virialAndEnergy   Reduced virial and enrgy (only with computeEnergyAndVirial ==
  63  * true) \param[in,out] gm_grid              Fourier grid to transform.
  64  */
  65 __attribute__((work_group_size_hint(c_solveMaxWorkGroupSize, 1, 1)))
  66 __kernel void CUSTOMIZED_KERNEL_NAME(pme_solve_kernel)(const struct PmeOpenCLKernelParams kernelParams,
  67                                                        __global const float* __restrict__ gm_splineModuli,
  68                                                        __global float* __restrict__ gm_virialAndEnergy,
  69                                                        __global float2* __restrict__ gm_grid)
  70 {
  71     /* This kernel supports 2 different grid dimension orderings: YZX and XYZ */
  72     int majorDim;
  73     int middleDim;
  74     int minorDim;
  75     if (gridOrdering == YZX)
  76     {
  77         majorDim  = YY;
  78         middleDim = ZZ;
  79         minorDim  = XX;
  80     }
  81     if (gridOrdering == XYZ)
  82     {
  83         majorDim  = XX;
  84         middleDim = YY;
  85         minorDim  = ZZ;
  86     }
  87
  88     __global const float* __restrict__ gm_splineValueMajor =
  89             gm_splineModuli + kernelParams.grid.splineValuesOffset[majorDim];
  90     __global const float* __restrict__ gm_splineValueMiddle =
  91             gm_splineModuli + kernelParams.grid.splineValuesOffset[middleDim];
  92     __global const float* __restrict__ gm_splineValueMinor =
  93             gm_splineModuli + kernelParams.grid.splineValuesOffset[minorDim];
  94
  95     /* Various grid sizes and indices */
  96     const int localOffsetMinor  = 0; // unused
  97     const int localOffsetMajor  = 0; // unused
  98     const int localOffsetMiddle = 0; // unused
  99     const int localSizeMinor    = kernelParams.grid.complexGridSizePadded[minorDim];
 100     const int localSizeMiddle   = kernelParams.grid.complexGridSizePadded[middleDim];
 101     const int localCountMiddle  = kernelParams.grid.complexGridSize[middleDim];
 102     const int localCountMinor   = kernelParams.grid.complexGridSize[minorDim];
 103     const int nMajor            = kernelParams.grid.realGridSize[majorDim];
 104     const int nMiddle           = kernelParams.grid.realGridSize[middleDim];
 105     const int nMinor            = kernelParams.grid.realGridSize[minorDim];
 106     const int maxkMajor         = (nMajor + 1) / 2;  // X or Y
 107     const int maxkMiddle        = (nMiddle + 1) / 2; // Y OR Z => only check for !YZX
 108     const int maxkMinor         = (nMinor + 1) / 2;  // Z or X => only check for YZX
 109
 110     /* Each thread works on one cell of the Fourier space complex 3D grid (gm_grid).
 111      * Each block handles up to c_solveMaxWorkGroupSize cells -
 112      * depending on the grid contiguous dimension size,
 113      * that can range from a part of a single gridline to several complete gridlines.
 114      */
 115     const int threadLocalId     = get_local_id(XX);
 116     const int gridLineSize      = localCountMinor;
 117     const int gridLineIndex     = threadLocalId / gridLineSize;
 118     const int gridLineCellIndex = threadLocalId - gridLineSize * gridLineIndex;
 119     const int gridLinesPerBlock = max((int)(get_local_size(XX)) / gridLineSize, 1);
 120     const int activeWarps       = ((int)get_local_size(XX) / warp_size);
 121     assert((get_group_id(XX) * get_local_size(XX)) < MAX_INT);
 122     const int indexMinor  = (int)get_group_id(XX) * (int)get_local_size(XX) + gridLineCellIndex;
 123     const int indexMiddle = (int)get_group_id(YY) * gridLinesPerBlock + gridLineIndex;
 124     const int indexMajor  = (int)get_group_id(ZZ);
 125
 126     /* Optional outputs */
 127     float energy = 0.0F;
 128     float virxx  = 0.0F;
 129     float virxy  = 0.0F;
 130     float virxz  = 0.0F;
 131     float viryy  = 0.0F;
 132     float viryz  = 0.0F;
 133     float virzz  = 0.0F;
 134
 135     assert(indexMajor < kernelParams.grid.complexGridSize[majorDim]);
 136     if ((indexMiddle < localCountMiddle) & (indexMinor < localCountMinor)
 137         & (gridLineIndex < gridLinesPerBlock))
 138     {
 139         /* The offset should be equal to the global thread index for coalesced access */
 140         const int gridIndex = (indexMajor * localSizeMiddle + indexMiddle) * localSizeMinor + indexMinor;
 141         __global float2* __restrict__ gm_gridCell = gm_grid + gridIndex;
 142
 143         const int kMajor = indexMajor + localOffsetMajor;
 144         /* Checking either X in XYZ, or Y in YZX cases */
 145         const float mMajor = (float)((kMajor < maxkMajor) ? kMajor : (kMajor - nMajor));
 146
 147         const int kMiddle = indexMiddle + localOffsetMiddle;
 148         float     mMiddle = (float)kMiddle;
 149         /* Checking Y in XYZ case */
 150         if (gridOrdering == XYZ)
 151         {
 152             mMiddle = (float)((kMiddle < maxkMiddle) ? kMiddle : (kMiddle - nMiddle));
 153         }
 154         const int kMinor = localOffsetMinor + indexMinor;
 155         float     mMinor = (float)kMinor;
 156         /* Checking X in YZX case */
 157         if (gridOrdering == YZX)
 158         {
 159             mMinor = (float)((kMinor < maxkMinor) ? kMinor : (kMinor - nMinor));
 160         }
 161         /* We should skip the k-space point (0,0,0) */
 162         const bool notZeroPoint = (kMinor > 0) | (kMajor > 0) | (kMiddle > 0);
 163
 164         float mX;
 165         float mY;
 166         float mZ;
 167         if (gridOrdering == YZX)
 168         {
 169             mX = mMinor;
 170             mY = mMajor;
 171             mZ = mMiddle;
 172         }
 173         if (gridOrdering == XYZ)
 174         {
 175             mX = mMajor;
 176             mY = mMiddle;
 177             mZ = mMinor;
 178         }
 179
 180         /* 0.5 correction factor for the first and last components of a Z dimension */
 181         float       corner_fac   = 1.0F;
 182         const float z_corner_fac = 0.5F;
 183         if (gridOrdering == YZX)
 184         {
 185             if ((kMiddle == 0) | (kMiddle == maxkMiddle))
 186             {
 187                 corner_fac = z_corner_fac;
 188             }
 189         }
 190         if (gridOrdering == XYZ)
 191         {
 192             if ((kMinor == 0) | (kMinor == maxkMinor))
 193             {
 194                 corner_fac = z_corner_fac;
 195             }
 196         }
 197
 198         if (notZeroPoint)
 199         {
 200             const float mhxk = mX * kernelParams.current.recipBox[XX][XX];
 201             const float mhyk = mX * kernelParams.current.recipBox[XX][YY]
 202                                + mY * kernelParams.current.recipBox[YY][YY];
 203             const float mhzk = mX * kernelParams.current.recipBox[XX][ZZ]
 204                                + mY * kernelParams.current.recipBox[YY][ZZ]
 205                                + mZ * kernelParams.current.recipBox[ZZ][ZZ];
 206
 207             const float m2k = mhxk * mhxk + mhyk * mhyk + mhzk * mhzk;
 208             assert(m2k != 0.0F);
 209             const float denom = m2k * M_PI_F * kernelParams.current.boxVolume * gm_splineValueMajor[kMajor]
 210                                 * gm_splineValueMiddle[kMiddle] * gm_splineValueMinor[kMinor];
 211             assert(isfinite(denom));
 212             assert(denom != 0.0F);
 213             const float tmp1   = exp(-kernelParams.grid.ewaldFactor * m2k);
 214             const float etermk = kernelParams.constants.elFactor * tmp1 / denom;
 215
 216             float2       gridValue    = *gm_gridCell;
 217             const float2 oldGridValue = gridValue;
 218
 219             gridValue.x *= etermk;
 220             gridValue.y *= etermk;
 221             *gm_gridCell = gridValue;
 222
 223             if (computeEnergyAndVirial)
 224             {
 225                 const float tmp1k =
 226                         2.0F * (gridValue.x * oldGridValue.x + gridValue.y * oldGridValue.y);
 227
 228                 const float vfactor = (kernelParams.grid.ewaldFactor + 1.0F / m2k) * 2.0F;
 229                 const float ets2    = corner_fac * tmp1k;
 230                 energy              = ets2;
 231
 232                 const float ets2vf = ets2 * vfactor;
 233
 234                 virxx = ets2vf * mhxk * mhxk - ets2;
 235                 virxy = ets2vf * mhxk * mhyk;
 236                 virxz = ets2vf * mhxk * mhzk;
 237                 viryy = ets2vf * mhyk * mhyk - ets2;
 238                 viryz = ets2vf * mhyk * mhzk;
 239                 virzz = ets2vf * mhzk * mhzk - ets2;
 240             }
 241         }
 242     }
 243
 244     // This is only for reduction below. OpenCL 1.2: all local memory must be declared on kernel scope.
 245     __local float sm_virialAndEnergy[c_virialAndEnergyCount * warp_size];
 246
 247     /* Optional energy/virial reduction */
 248     if (computeEnergyAndVirial)
 249     {
 250         // TODO: implement AMD intrinsics reduction, like with shuffles in CUDA version. #2514
 251
 252         /* Shared memory reduction with atomics.
 253          * Each component is first reduced into warp_size positions in the shared memory;
 254          * Then first few warps reduce everything further and add to the global memory.
 255          * This can likely be improved, but is anyway faster than the previous straightforward reduction,
 256          * which was using too much shared memory (for storing all 7 floats on each thread).
 257          */
 258
 259         const int  lane      = threadLocalId & (warp_size - 1);
 260         const int  warpIndex = threadLocalId / warp_size;
 261         const bool firstWarp = (warpIndex == 0);
 262         if (firstWarp)
 263         {
 264             sm_virialAndEnergy[0 * warp_size + lane] = virxx;
 265             sm_virialAndEnergy[1 * warp_size + lane] = viryy;
 266             sm_virialAndEnergy[2 * warp_size + lane] = virzz;
 267             sm_virialAndEnergy[3 * warp_size + lane] = virxy;
 268             sm_virialAndEnergy[4 * warp_size + lane] = virxz;
 269             // NOLINTNEXTLINE(cppcoreguidelines-avoid-magic-numbers, readability-magic-numbers)
 270             sm_virialAndEnergy[5 * warp_size + lane] = viryz;
 271             // NOLINTNEXTLINE(cppcoreguidelines-avoid-magic-numbers, readability-magic-numbers)
 272             sm_virialAndEnergy[6 * warp_size + lane] = energy;
 273         }
 274         barrier(CLK_LOCAL_MEM_FENCE);
 275         if (!firstWarp)
 276         {
 277             atomicAdd_l_f(sm_virialAndEnergy + 0 * warp_size + lane, virxx);
 278             atomicAdd_l_f(sm_virialAndEnergy + 1 * warp_size + lane, viryy);
 279             atomicAdd_l_f(sm_virialAndEnergy + 2 * warp_size + lane, virzz);
 280             atomicAdd_l_f(sm_virialAndEnergy + 3 * warp_size + lane, virxy);
 281             atomicAdd_l_f(sm_virialAndEnergy + 4 * warp_size + lane, virxz);
 282             // NOLINTNEXTLINE(cppcoreguidelines-avoid-magic-numbers, readability-magic-numbers)
 283             atomicAdd_l_f(sm_virialAndEnergy + 5 * warp_size + lane, viryz);
 284             // NOLINTNEXTLINE(cppcoreguidelines-avoid-magic-numbers, readability-magic-numbers)
 285             atomicAdd_l_f(sm_virialAndEnergy + 6 * warp_size + lane, energy);
 286         }
 287         barrier(CLK_LOCAL_MEM_FENCE);
 288
 289         const int numIter = (c_virialAndEnergyCount + activeWarps - 1) / activeWarps;
 290         for (int i = 0; i < numIter; i++)
 291         {
 292             const int componentIndex = i * activeWarps + warpIndex;
 293             if (componentIndex < c_virialAndEnergyCount)
 294             {
 295                 const int targetIndex = componentIndex * warp_size + lane;
 296 #pragma unroll
 297                 for (int reductionStride = warp_size >> 1; reductionStride >= 1; reductionStride >>= 1)
 298                 {
 299                     if (lane < reductionStride)
 300                     {
 301                         sm_virialAndEnergy[targetIndex] +=
 302                                 sm_virialAndEnergy[targetIndex + reductionStride];
 303                     }
 304 #ifdef _NVIDIA_SOURCE_
 305                     /* FIXME: this execution happens within execution width aka warp, but somehow
 306                      * NVIDIA OpenCL of all things fails without the memory barrier here. #2519
 307                      */
 308                     barrier(CLK_LOCAL_MEM_FENCE);
 309 #endif
 310                 }
 311                 if (lane == 0)
 312                 {
 313                     atomicAdd_g_f(gm_virialAndEnergy + componentIndex, sm_virialAndEnergy[targetIndex]);
 314                 }
 315             }
 316         }
 317     }
 318 }