src/gromacs/gmxlib/nonbonded/nb_kernel_avx_128_fma_double/make_nb_kernel_avx_128_fma_double.py

   1 #!/usr/bin/python
   2 #
   3 # This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   4 #
   5 # Copyright (c) 2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   6 # Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   7 # and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   8 # top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   9 #
  10 # GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  11 # modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  12 # as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  13 # of the License, or (at your option) any later version.
  14 #
  15 # GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  16 # but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17 # MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18 # Lesser General Public License for more details.
  19 #
  20 # You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  21 # License along with GROMACS; if not, see
  22 # http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  23 # Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  24 #
  25 # If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  26 # consider that scientific software is very special. Version
  27 # control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  28 # consider code for inclusion in the official distribution, but
  29 # derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  30 # in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  31 # official version at http://www.gromacs.org.
  32 #
  33 # To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  34 # the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  35
  36 import sys
  37 import os
  38 sys.path.append("../preprocessor")
  39 sys.path.append("../../../../../admin")
  40 from copyright import create_copyright_header
  41 from gmxpreprocess import gmxpreprocess
  42
  43 # "The happiest programs are programs that write other programs."
  44 #
  45 #
  46 # This script controls the generation of Gromacs nonbonded kernels.
  47 #
  48 # We no longer generate kernels on-the-fly, so this file is not run
  49 # during a Gromacs compile - only when we need to update the kernels (=rarely).
  50 #
  51 # To maximize performance, each combination of interactions in Gromacs
  52 # has a separate nonbonded kernel without conditionals in the code.
  53 # To avoid writing hundreds of different routines for each architecture,
  54 # we instead use a custom preprocessor so we can encode the conditionals
  55 # and expand for-loops (e.g, for water-water interactions)
  56 # from a general kernel template. While that file will contain quite a
  57 # few preprocessor directives, it is still an order of magnitude easier
  58 # to maintain than ~200 different kernels (not to mention it avoids bugs).
  59 #
  60 # To actually generate the kernels, this program iteratively calls the
  61 # preprocessor with different define settings corresponding to all
  62 # combinations of coulomb/van-der-Waals/geometry options.
  63 #
  64 # A main goal in the design was to make this new generator _general_. For
  65 # this reason we have used a lot of different fields to identify a particular
  66 # kernel and interaction. Basically, each kernel will have a name like
  67 #
  68 # nbkernel_ElecXX_VdwYY_GeomZZ_VF_QQ()
  69 #
  70 # Where XX/YY/ZZ/VF are strings to identify what the kernel computes.
  71 #
  72 # Elec/Vdw describe the type of interaction for electrostatics and van der Waals.
  73 # The geometry settings correspond e.g. to water-water or water-particle kernels,
  74 # and finally the VF setting is V,F,or VF depending on whether we calculate
  75 # only the potential, only the force, or both of them. The final string (QQ)
  76 # is the architecture/language/optimization of the kernel.
  77 #
  78 Arch       = 'avx_128_fma_double'
  79
  80 # Explanation of the 'properties':
  81 #
  82 # It is cheap to compute r^2, and the kernels require various other functions of r for
  83 # different kinds of interaction. Depending on the needs of the kernel and the available
  84 # processor instructions, this will be done in different ways.
  85 #
  86 # 'rinv' means we need 1/r, which is calculated as 1/sqrt(r^2).
  87 # 'rinvsq' means we need 1/(r*r). This is calculated as rinv*rinv if we already did rinv, otherwise 1/r^2.
  88 # 'r' is similarly calculated as r^2*rinv when needed
  89 # 'table' means the interaction is tabulated, in which case we will calculate a table index before the interaction
  90 # 'shift' means the interaction will be modified by a constant to make it zero at the cutoff.
  91 # 'cutoff' means the interaction is set to 0.0 outside the cutoff
  92 #
  93
  94 FileHeader = create_copyright_header('2012,2013,2014')
  95 FileHeader += """/*
  96  * Note: this file was generated by the GROMACS """+Arch+""" kernel generator.
  97  */
  98 """
  99
 100 ###############################################
 101 # ELECTROSTATICS
 102 # Interactions and flags for them
 103 ###############################################
 104 ElectrostaticsList = {
 105     'None'                    : [],
 106     'Coulomb'                 : ['rinv','rinvsq'],
 107     'ReactionField'           : ['rinv','rinvsq'],
 108     'GeneralizedBorn'         : ['rinv','r'],
 109     'CubicSplineTable'        : ['rinv','r','table'],
 110     'Ewald'                   : ['rinv','rinvsq','r'],
 111 }
 112
 113
 114 ###############################################
 115 # VAN DER WAALS
 116 # Interactions and flags for them
 117 ###############################################
 118 VdwList = {
 119     'None'                    : [],
 120     'LennardJones'            : ['rinvsq'],
 121 #    'Buckingham'              : ['rinv','rinvsq','r'], # Disabled for sse4.1 to reduce number of kernels and simply the template
 122     'CubicSplineTable'        : ['rinv','r','table'],
 123     'LJEwald'                 : ['rinv','rinvsq','r'],
 124 }
 125
 126
 127 ###############################################
 128 # MODIFIERS
 129 # Different ways to adjust/modify interactions to conserve energy
 130 ###############################################
 131 ModifierList = {
 132     'None'                    : [],
 133     'ExactCutoff'             : ['exactcutoff'],        # Zero the interaction outside the cutoff, used for reaction-field-zero
 134     'PotentialShift'          : ['shift','exactcutoff'],
 135     'PotentialSwitch'         : ['rinv','r','switch','exactcutoff']
 136 }
 137
 138
 139 ###############################################
 140 # GEOMETRY COMBINATIONS
 141 ###############################################
 142 GeometryNameList = [
 143     [ 'Particle' , 'Particle' ],
 144     [ 'Water3'   , 'Particle' ],
 145     [ 'Water3'   , 'Water3'   ],
 146     [ 'Water4'   , 'Particle' ],
 147     [ 'Water4'   , 'Water4'   ]
 148 ]
 149
 150
 151 ###############################################
 152 # POTENTIAL / FORCE
 153 ###############################################
 154 VFList = [
 155     'PotentialAndForce',
 156 # 'Potential',   # Not used yet
 157     'Force'
 158 ]
 159
 160
 161 ###############################################
 162 # GEOMETRY PROPERTIES
 163 ###############################################
 164 # Dictionaries with lists telling which interactions are present
 165 # 1,2,3 means particles 1,2,3 (but not 0) have electrostatics!
 166 GeometryElectrostatics = {
 167     'Particle'  : [ 0 ],
 168     'Particle2' : [ 0 , 1 ],
 169     'Particle3' : [ 0 , 1 , 2 ],
 170     'Particle4' : [ 0 , 1 , 2 , 3 ],
 171     'Water3'    : [ 0 , 1 , 2 ],
 172     'Water4'    : [ 1 , 2 , 3 ]
 173 }
 174
 175 GeometryVdw = {
 176     'Particle'  : [ 0 ],
 177     'Particle2' : [ 0 , 1 ],
 178     'Particle3' : [ 0 , 1 , 2 ],
 179     'Particle4' : [ 0 , 1 , 2 , 3 ],
 180     'Water3'    : [ 0 ],
 181     'Water4'    : [ 0 ]
 182 }
 183
 184
 185
 186
 187 # Dictionary to abbreviate all strings (mixed from all the lists)
 188 Abbreviation = {
 189     'None'                    : 'None',
 190     'Coulomb'                 : 'Coul',
 191     'Ewald'                   : 'Ew',
 192     'ReactionField'           : 'RF',
 193     'GeneralizedBorn'         : 'GB',
 194     'CubicSplineTable'        : 'CSTab',
 195     'LennardJones'            : 'LJ',
 196     'Buckingham'              : 'Bham',
 197     'LJEwald'                 : 'LJEw',
 198     'PotentialShift'          : 'Sh',
 199     'PotentialSwitch'         : 'Sw',
 200     'ExactCutoff'             : 'Cut',
 201     'PotentialAndForce'       : 'VF',
 202     'Potential'               : 'V',
 203     'Force'                   : 'F',
 204     'Water3'                  : 'W3',
 205     'Water4'                  : 'W4',
 206     'Particle'                : 'P1',
 207     'Particle2'               : 'P2',
 208     'Particle3'               : 'P3',
 209     'Particle4'               : 'P4'
 210 }
 211
 212
 213 ###############################################
 214 # Functions
 215 ###############################################
 216
 217 # Return a string with the kernel name from current settings
 218 def MakeKernelFileName(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom):
 219     ElecStr = 'Elec' + Abbreviation[KernelElec]
 220     if(KernelElecMod!='None'):
 221         ElecStr = ElecStr + Abbreviation[KernelElecMod]
 222     VdwStr  = 'Vdw'  + Abbreviation[KernelVdw]
 223     if(KernelVdwMod!='None'):
 224         VdwStr = VdwStr + Abbreviation[KernelVdwMod]
 225     GeomStr = 'Geom' + Abbreviation[KernelGeom[0]] + Abbreviation[KernelGeom[1]]
 226     return 'nb_kernel_' + ElecStr + '_' + VdwStr + '_' + GeomStr + '_' + Arch
 227
 228 def MakeKernelName(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelVF):
 229     ElecStr = 'Elec' + Abbreviation[KernelElec]
 230     if(KernelElecMod!='None'):
 231         ElecStr = ElecStr + Abbreviation[KernelElecMod]
 232     VdwStr  = 'Vdw'  + Abbreviation[KernelVdw]
 233     if(KernelVdwMod!='None'):
 234         VdwStr = VdwStr + Abbreviation[KernelVdwMod]
 235     GeomStr = 'Geom' + Abbreviation[KernelGeom[0]] + Abbreviation[KernelGeom[1]]
 236     VFStr   = Abbreviation[KernelVF]
 237     return 'nb_kernel_' + ElecStr + '_' + VdwStr + '_' + GeomStr + '_' + VFStr + '_' + Arch
 238
 239 # Return a string with a declaration to use for the kernel;
 240 # this will be a sequence of string combinations as well as the actual function name
 241 # Dont worry about field widths - that is just pretty-printing for the header!
 242 def MakeKernelDecl(KernelName,KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelOther,KernelVF):
 243     KernelStr   = '\"'+KernelName+'\"'
 244     ArchStr     = '\"'+Arch+'\"'
 245     ElecStr     = '\"'+KernelElec+'\"'
 246     ElecModStr  = '\"'+KernelElecMod+'\"'
 247     VdwStr      = '\"'+KernelVdw+'\"'
 248     VdwModStr   = '\"'+KernelVdwMod+'\"'
 249     GeomStr     = '\"'+KernelGeom[0]+KernelGeom[1]+'\"'
 250     OtherStr    = '\"'+KernelOther+'\"'
 251     VFStr       = '\"'+KernelVF+'\"'
 252
 253     ThisSpec = ArchStr+', '+ElecStr+', '+ElecModStr+', '+VdwStr+', '+VdwModStr+', '+GeomStr+', '+OtherStr+', '+VFStr
 254     ThisDecl = '    { '+KernelName+', '+KernelStr+', '+ThisSpec+' }'
 255     return ThisDecl
 256
 257
 258 # Returns 1 if this kernel should be created, 0 if we should skip it
 259 # This routine is not critical - it is not the end of the world if we create more kernels,
 260 # but since the number is pretty large we save both space and compile-time by reducing it a bit.
 261 def KeepKernel(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelVF):
 262
 263     # No need for kernels without interactions
 264     if(KernelElec=='None' and KernelVdw=='None'):
 265         return 0
 266
 267     # No need for modifiers without interactions
 268     if((KernelElec=='None' and KernelElecMod!='None') or (KernelVdw=='None' and KernelVdwMod!='None')):
 269         return 0
 270
 271     # No need for LJ-only water optimization, or water optimization with implicit solvent.
 272     if('Water' in KernelGeom[0] and (KernelElec=='None' or 'GeneralizedBorn' in KernelElec)):
 273         return 0
 274
 275     # Non-matching table settings are pointless
 276     if( ('Table' in KernelElec) and ('Table' in KernelVdw) and KernelElec!=KernelVdw ):
 277         return 0
 278
 279     # Try to reduce the number of different switch/shift options to get a reasonable number of kernels
 280     # For electrostatics, reaction-field can use 'exactcutoff', and ewald can use switch or shift.
 281     if(KernelElecMod=='ExactCutoff' and KernelElec!='ReactionField'):
 282         return 0
 283     if(KernelElecMod in ['PotentialShift','PotentialSwitch'] and KernelElec!='Ewald'):
 284         return 0
 285     # For Vdw, we support switch and shift for Lennard-Jones/Buckingham
 286     if((KernelVdwMod=='ExactCutoff') or
 287        (KernelVdwMod in ['PotentialShift','PotentialSwitch'] and KernelVdw not in ['LennardJones','Buckingham','LJEwald'])):
 288         return 0
 289
 290     # For LJEwald, we only support shift
 291     if(KernelVdw=='LJEwald' and KernelVdwMod=='PotentialSwitch'):
 292         return 0
 293
 294     # Choose either switch or shift and don't mix them...
 295     if((KernelElecMod=='PotentialShift' and KernelVdwMod=='PotentialSwitch') or
 296        (KernelElecMod=='PotentialSwitch' and KernelVdwMod=='PotentialShift')):
 297         return 0
 298
 299     # Don't use a Vdw kernel with a modifier if the electrostatics one does not have one
 300     if(KernelElec!='None' and KernelElecMod=='None' and KernelVdwMod!='None'):
 301         return 0
 302
 303     # Don't use an electrostatics kernel with a modifier if the vdw one does not have one,
 304     # unless the electrostatics one is reaction-field with exact cutoff.
 305     if(KernelVdw!='None' and KernelVdwMod=='None' and KernelElecMod!='None'):
 306         if(KernelElec=='ReactionField' and KernelVdw!='CubicSplineTable'):
 307             return 0
 308         elif(KernelElec!='ReactionField'):
 309             return 0
 310
 311     #Only do LJ-PME if we are also doing PME for electrostatics, or no electrostatics at all.
 312     if(KernelVdw=='LJEwald' and KernelElec not in ['Ewald','None']):
 313         return 0
 314
 315     return 1
 316
 317
 318
 319 #
 320 # The preprocessor will automatically expand the interactions for water and other
 321 # geometries inside the kernel, but to get this right we need to setup a couple
 322 # of defines - we do them in a separate routine to keep the main loop clean.
 323 #
 324 # While this routine might look a bit complex it is actually quite straightforward,
 325 # and the best news is that you wont have to modify _anything_ for a new geometry
 326 # as long as you correctly define its Electrostatics/Vdw geometry in the lists above!
 327 #
 328 def SetDefines(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelVF,defines):
 329     # What is the _name_ for the i/j group geometry?
 330     igeometry            = KernelGeom[0]
 331     jgeometry            = KernelGeom[1]
 332     # define so we can access it in the source when the preprocessor runs
 333     defines['GEOMETRY_I'] = igeometry
 334     defines['GEOMETRY_J'] = jgeometry
 335
 336     # For the i/j groups, extract a python list of which sites have electrostatics
 337     # For SPC/TIP3p this will be [1,1,1], while TIP4p (no elec on first site) will be [0,1,1,1]
 338     ielec                = GeometryElectrostatics[igeometry]
 339     jelec                = GeometryElectrostatics[jgeometry]
 340     # Zero out the corresponding lists in case we dont do Elec
 341     if(KernelElec=='None'):
 342         ielec = []
 343         jelec = []
 344
 345     # Extract similar interaction lists for Vdw interactions (example for SPC: [1,0,0])
 346     iVdw                 = GeometryVdw[igeometry]
 347     jVdw                 = GeometryVdw[jgeometry]
 348
 349     # Zero out the corresponding lists in case we dont do Vdw
 350     if(KernelVdw=='None'):
 351         iVdw = []
 352         jVdw = []
 353
 354     # iany[] and jany[] contains lists of the particles actually used (for interactions) in this kernel
 355     iany = list(set(ielec+iVdw))  # convert to+from set to make elements unique
 356     jany = list(set(jelec+jVdw))
 357
 358     defines['PARTICLES_ELEC_I'] = ielec
 359     defines['PARTICLES_ELEC_J'] = jelec
 360     defines['PARTICLES_VDW_I']  = iVdw
 361     defines['PARTICLES_VDW_J']  = jVdw
 362     defines['PARTICLES_I']      = iany
 363     defines['PARTICLES_J']      = jany
 364
 365     # elecij,Vdwij are sets with pairs of particles for which the corresponding interaction is done
 366     # (and anyij again corresponds to either electrostatics or Vdw)
 367     elecij = []
 368     Vdwij  = []
 369     anyij  = []
 370
 371     for i in ielec:
 372         for j in jelec:
 373             elecij.append([i,j])
 374
 375     for i in iVdw:
 376         for j in jVdw:
 377             Vdwij.append([i,j])
 378
 379     for i in iany:
 380         for j in jany:
 381             if [i,j] in elecij or [i,j] in Vdwij:
 382                 anyij.append([i,j])
 383
 384     defines['PAIRS_IJ']     = anyij
 385
 386     # Make an 2d list-of-distance-properties-to-calculate for i,j
 387     ni = max(iany)+1
 388     nj = max(jany)+1
 389     # Each element properties[i][j] is an empty list
 390     properties = [ [ [] for j in range(0,nj) ] for i in range (0,ni) ]
 391     # Add properties to each set
 392     for i in range(0,ni):
 393         for j in range(0,nj):
 394             if [i,j] in elecij:
 395                 properties[i][j] = properties[i][j] + ['electrostatics'] + ElectrostaticsList[KernelElec] + ModifierList[KernelElecMod]
 396             if [i,j] in Vdwij:
 397                 properties[i][j] = properties[i][j] + ['vdw'] + VdwList[KernelVdw] + ModifierList[KernelVdwMod]
 398             # Add rinv if we need r
 399             if 'r' in properties[i][j]:
 400                 properties[i][j] = properties[i][j] + ['rinv']
 401             # Add rsq if we need rinv or rinsq
 402             if 'rinv' in properties[i][j] or 'rinvsq' in properties[i][j]:
 403                 properties[i][j] = properties[i][j] + ['rsq']
 404
 405     defines['INTERACTION_FLAGS']    = properties
 406
 407
 408
 409 def PrintStatistics(ratio):
 410     ratio = 100.0*ratio
 411     print '\rGenerating %s nonbonded kernels... %5.1f%%' % (Arch,ratio),
 412     sys.stdout.flush()
 413
 414
 415
 416 defines = {}
 417 kerneldecl = []
 418
 419 cnt     = 0.0
 420 nelec   = len(ElectrostaticsList)
 421 nVdw    = len(VdwList)
 422 nmod    = len(ModifierList)
 423 ngeom   = len(GeometryNameList)
 424
 425 ntot    = nelec*nmod*nVdw*nmod*ngeom
 426
 427 numKernels = 0
 428
 429 fpdecl = open('nb_kernel_' + Arch + '.c','w')
 430 fpdecl.write( FileHeader )
 431 fpdecl.write( '#include "gmxpre.h"\n\n' )
 432 fpdecl.write( '#include "../nb_kernel.h"\n\n' )
 433
 434 for KernelElec in ElectrostaticsList:
 435     defines['KERNEL_ELEC'] = KernelElec
 436
 437     for KernelElecMod in ModifierList:
 438         defines['KERNEL_MOD_ELEC'] = KernelElecMod
 439
 440         for KernelVdw in VdwList:
 441             defines['KERNEL_VDW'] = KernelVdw
 442
 443             for KernelVdwMod in ModifierList:
 444                 defines['KERNEL_MOD_VDW'] = KernelVdwMod
 445
 446                 for KernelGeom in GeometryNameList:
 447
 448                     cnt += 1
 449                     KernelFilename = MakeKernelFileName(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom) + '.c'
 450                     fpkernel = open(KernelFilename,'w')
 451                     defines['INCLUDE_HEADER'] = 1  # Include header first time in new file
 452                     DoHeader = 1
 453
 454                     for KernelVF in VFList:
 455
 456                         KernelName = MakeKernelName(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelVF)
 457
 458                         defines['KERNEL_NAME'] = KernelName
 459                         defines['KERNEL_VF']   = KernelVF
 460
 461                         # Check if this is a valid/sane/usable combination
 462                         if not KeepKernel(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelVF):
 463                             continue;
 464
 465                         # The overall kernel settings determine what the _kernel_ calculates, but for the water
 466                         # kernels this does not mean that every pairwise interaction has e.g. Vdw interactions.
 467                         # This routine sets defines of what to calculate for each pair of particles in those cases.
 468                         SetDefines(KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelVF,defines)
 469
 470                         if(DoHeader==1):
 471                             fpkernel.write( FileHeader )
 472
 473                         gmxpreprocess('nb_kernel_template_' + Arch + '.pre', KernelName+'.tmp' , defines, force=1,contentType='C')
 474                         numKernels = numKernels + 1
 475
 476                         defines['INCLUDE_HEADER'] = 0   # Header has been included once now
 477                         DoHeader=0
 478
 479                         # Append temp file contents to the common kernelfile
 480                         fptmp = open(KernelName+'.tmp','r')
 481                         fpkernel.writelines(fptmp.readlines())
 482                         fptmp.close()
 483                         os.remove(KernelName+'.tmp')
 484
 485                         # Add a declaration for this kernel
 486                         fpdecl.write('nb_kernel_t ' + KernelName + ';\n');
 487
 488                         # Add declaration to the buffer
 489                         KernelOther=''
 490                         kerneldecl.append(MakeKernelDecl(KernelName,KernelElec,KernelElecMod,KernelVdw,KernelVdwMod,KernelGeom,KernelOther,KernelVF))
 491
 492                     filesize = fpkernel.tell()
 493                     fpkernel.close()
 494                     if(filesize==0):
 495                         os.remove(KernelFilename)
 496
 497                     PrintStatistics(cnt/ntot)
 498                 pass
 499             pass
 500         pass
 501     pass
 502 pass
 503
 504 # Write out the list of settings and corresponding kernels to the declaration file
 505 fpdecl.write( '\n\n' )
 506 fpdecl.write( 'nb_kernel_info_t\n' )
 507 fpdecl.write( '    kernellist_'+Arch+'[] =\n' )
 508 fpdecl.write( '{\n' )
 509 for decl in kerneldecl[0:-1]:
 510     fpdecl.write( decl + ',\n' )
 511 fpdecl.write( kerneldecl[-1] + '\n' )
 512 fpdecl.write( '};\n\n' )
 513 fpdecl.write( 'int\n' )
 514 fpdecl.write( '    kernellist_'+Arch+'_size = sizeof(kernellist_'+Arch+')/sizeof(kernellist_'+Arch+'[0]);\n')
 515 fpdecl.close()