src/gromacs/gmxlib/nrnb.c

   1 /*
   2  *
   3  *                This source code is part of
   4  *
   5  *                 G   R   O   M   A   C   S
   6  *
   7  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   8  *
   9  *                        VERSION 3.2.0
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  *
  32  * And Hey:
  33  * GROningen Mixture of Alchemy and Childrens' Stories
  34  */
  35 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  36 #include <config.h>
  37 #endif
  38
  39 #include <string.h>
  40 #include "types/commrec.h"
  41 #include "sysstuff.h"
  42 #include "gmx_fatal.h"
  43 #include "names.h"
  44 #include "macros.h"
  45 #include "nrnb.h"
  46 #include "main.h"
  47 #include "smalloc.h"
  48 #include "copyrite.h"
  49
  50
  51
  52
  53
  54 typedef struct {
  55     const char *name;
  56     int         flop;
  57 } t_nrnb_data;
  58
  59
  60 static const t_nrnb_data nbdata[eNRNB] = {
  61     /* These are re-used for different NB kernels, since there are so many.
  62      * The actual number of flops is set dynamically.
  63      */
  64     { "NB VdW [V&F]",                    1 },
  65     { "NB VdW [F]",                      1 },
  66     { "NB Elec. [V&F]",                  1 },
  67     { "NB Elec. [F]",                    1 },
  68     { "NB Elec. [W3,V&F]",               1 },
  69     { "NB Elec. [W3,F]",                 1 },
  70     { "NB Elec. [W3-W3,V&F]",            1 },
  71     { "NB Elec. [W3-W3,F]",              1 },
  72     { "NB Elec. [W4,V&F]",               1 },
  73     { "NB Elec. [W4,F]",                 1 },
  74     { "NB Elec. [W4-W4,V&F]",            1 },
  75     { "NB Elec. [W4-W4,F]",              1 },
  76     { "NB VdW & Elec. [V&F]",            1 },
  77     { "NB VdW & Elec. [F]",              1 },
  78     { "NB VdW & Elec. [W3,V&F]",         1 },
  79     { "NB VdW & Elec. [W3,F]",           1 },
  80     { "NB VdW & Elec. [W3-W3,V&F]",      1 },
  81     { "NB VdW & Elec. [W3-W3,F]",        1 },
  82     { "NB VdW & Elec. [W4,V&F]",         1 },
  83     { "NB VdW & Elec. [W4,F]",           1 },
  84     { "NB VdW & Elec. [W4-W4,V&F]",      1 },
  85     { "NB VdW & Elec. [W4-W4,F]",        1 },
  86
  87     { "NB Generic kernel",               1 },
  88     { "NB Free energy kernel",           1 },
  89     { "NB All-vs-all",                   1 },
  90     { "NB All-vs-all, GB",               1 },
  91
  92     { "Pair Search distance check",      9 }, /* nbnxn pair dist. check */
  93     /* nbnxn kernel flops are based on inner-loops without exclusion checks.
  94      * Plain Coulomb runs through the RF kernels, except with CUDA.
  95      * invsqrt is counted as 6 flops: 1 for _mm_rsqt_ps + 5 for iteration.
  96      * The flops are equal for plain-C, x86 SIMD and CUDA, except for:
  97      * - plain-C kernel uses one flop more for Coulomb-only (F) than listed
  98      * - x86 SIMD LJ geom-comb.rule kernels (fastest) use 2 more flops
  99      * - x86 SIMD LJ LB-comb.rule kernels (fast) use 3 (8 for F+E) more flops
 100      * - GPU always does exclusions, which requires 2-4 flops, but as invsqrt
 101      *   is always counted as 6 flops, this roughly compensates.
 102      */
 103     { "NxN RF Elec. + VdW [F]",         38 }, /* nbnxn kernel LJ+RF, no ener */
 104     { "NxN RF Elec. + VdW [V&F]",       54 },
 105     { "NxN QSTab Elec. + VdW [F]",      41 }, /* nbnxn kernel LJ+tab, no en */
 106     { "NxN QSTab Elec. + VdW [V&F]",    59 },
 107     { "NxN Ewald Elec. + VdW [F]",      66 }, /* nbnxn kernel LJ+Ewald, no en */
 108     { "NxN Ewald Elec. + VdW [V&F]",   107 },
 109     { "NxN VdW [F]",                    33 }, /* nbnxn kernel LJ, no ener */
 110     { "NxN VdW [V&F]",                  43 },
 111     { "NxN RF Electrostatics [F]",      31 }, /* nbnxn kernel RF, no ener */
 112     { "NxN RF Electrostatics [V&F]",    36 },
 113     { "NxN QSTab Elec. [F]",            34 }, /* nbnxn kernel tab, no ener */
 114     { "NxN QSTab Elec. [V&F]",          41 },
 115     { "NxN Ewald Elec. [F]",            61 }, /* nbnxn kernel Ewald, no ener */
 116     { "NxN Ewald Elec. [V&F]",          84 },
 117     { "1,4 nonbonded interactions",     90 },
 118     { "Born radii (Still)",             47 },
 119     { "Born radii (HCT/OBC)",          183 },
 120     { "Born force chain rule",          15 },
 121     { "All-vs-All Still radii",          1 },
 122     { "All-vs-All HCT/OBC radii",        1 },
 123     { "All-vs-All Born chain rule",      1 },
 124     { "Calc Weights",                   36 },
 125     { "Spread Q",                        6 },
 126     { "Spread Q Bspline",                2 },
 127     { "Gather F",                      23  },
 128     { "Gather F Bspline",              6   },
 129     { "3D-FFT",                        8   },
 130     { "Convolution",                   4   },
 131     { "Solve PME",                     64  },
 132     { "NS-Pairs",                      21  },
 133     { "Reset In Box",                  3   },
 134     { "Shift-X",                       6   },
 135     { "CG-CoM",                        3   },
 136     { "Sum Forces",                    1   },
 137     { "Bonds",                         59  },
 138     { "G96Bonds",                      44  },
 139     { "FENE Bonds",                    58  },
 140     { "Tab. Bonds",                    62  },
 141     { "Restraint Potential",           86  },
 142     { "Linear Angles",                 57  },
 143     { "Angles",                        168 },
 144     { "G96Angles",                     150 },
 145     { "Quartic Angles",                160 },
 146     { "Tab. Angles",                   169 },
 147     { "Propers",                       229 },
 148     { "Impropers",                     208 },
 149     { "RB-Dihedrals",                  247 },
 150     { "Four. Dihedrals",               247 },
 151     { "Tab. Dihedrals",                227 },
 152     { "Dist. Restr.",                  200 },
 153     { "Orient. Restr.",                200 },
 154     { "Dihedral Restr.",               200 },
 155     { "Pos. Restr.",                   50  },
 156     { "Flat-bottom posres",            50  },
 157     { "Angle Restr.",                  191 },
 158     { "Angle Restr. Z",                164 },
 159     { "Morse Potent.",                 83  },
 160     { "Cubic Bonds",                   54  },
 161     { "Walls",                         31  },
 162     { "Polarization",                  59  },
 163     { "Anharmonic Polarization",       72  },
 164     { "Water Pol.",                    62  },
 165     { "Thole Pol.",                    296 },
 166     { "Virial",                        18  },
 167     { "Update",                        31  },
 168     { "Ext.ens. Update",               54  },
 169     { "Stop-CM",                       10  },
 170     { "P-Coupling",                    6   },
 171     { "Calc-Ekin",                     27  },
 172     { "Lincs",                         60  },
 173     { "Lincs-Mat",                     4   },
 174     { "Shake",                         30  },
 175     { "Constraint-V",                   8  },
 176     { "Shake-Init",                    10  },
 177     { "Constraint-Vir",                24  },
 178     { "Settle",                        323 },
 179     { "Virtual Site 2",                23  },
 180     { "Virtual Site 3",                37  },
 181     { "Virtual Site 3fd",              95  },
 182     { "Virtual Site 3fad",             176 },
 183     { "Virtual Site 3out",             87  },
 184     { "Virtual Site 4fd",              110 },
 185     { "Virtual Site 4fdn",             254 },
 186     { "Virtual Site N",                 15 },
 187     { "Mixed Generalized Born stuff",   10 }
 188 };
 189
 190
 191 void init_nrnb(t_nrnb *nrnb)
 192 {
 193     int i;
 194
 195     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 196     {
 197         nrnb->n[i] = 0.0;
 198     }
 199 }
 200
 201 void cp_nrnb(t_nrnb *dest, t_nrnb *src)
 202 {
 203     int i;
 204
 205     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 206     {
 207         dest->n[i] = src->n[i];
 208     }
 209 }
 210
 211 void add_nrnb(t_nrnb *dest, t_nrnb *s1, t_nrnb *s2)
 212 {
 213     int i;
 214
 215     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 216     {
 217         dest->n[i] = s1->n[i]+s2->n[i];
 218     }
 219 }
 220
 221 void print_nrnb(FILE *out, t_nrnb *nrnb)
 222 {
 223     int i;
 224
 225     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 226     {
 227         if (nrnb->n[i] > 0)
 228         {
 229             fprintf(out, " %-26s %10.0f.\n", nbdata[i].name, nrnb->n[i]);
 230         }
 231     }
 232 }
 233
 234 void _inc_nrnb(t_nrnb *nrnb, int enr, int inc, char *file, int line)
 235 {
 236     nrnb->n[enr] += inc;
 237 #ifdef DEBUG_NRNB
 238     printf("nrnb %15s(%2d) incremented with %8d from file %s line %d\n",
 239            nbdata[enr].name, enr, inc, file, line);
 240 #endif
 241 }
 242
 243 void print_flop(FILE *out, t_nrnb *nrnb, double *nbfs, double *mflop)
 244 {
 245     int           i;
 246     double        mni, frac, tfrac, tflop;
 247     const char   *myline = "-----------------------------------------------------------------------------";
 248
 249     *nbfs = 0.0;
 250     for (i = 0; (i < eNR_NBKERNEL_ALLVSALLGB); i++)
 251     {
 252         if (strstr(nbdata[i].name, "W3-W3") != NULL)
 253         {
 254             *nbfs += 9e-6*nrnb->n[i];
 255         }
 256         else if (strstr(nbdata[i].name, "W3") != NULL)
 257         {
 258             *nbfs += 3e-6*nrnb->n[i];
 259         }
 260         else if (strstr(nbdata[i].name, "W4-W4") != NULL)
 261         {
 262             *nbfs += 10e-6*nrnb->n[i];
 263         }
 264         else if (strstr(nbdata[i].name, "W4") != NULL)
 265         {
 266             *nbfs += 4e-6*nrnb->n[i];
 267         }
 268         else
 269         {
 270             *nbfs += 1e-6*nrnb->n[i];
 271         }
 272     }
 273     tflop = 0;
 274     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 275     {
 276         tflop += 1e-6*nrnb->n[i]*nbdata[i].flop;
 277     }
 278
 279     if (tflop == 0)
 280     {
 281         fprintf(out, "No MEGA Flopsen this time\n");
 282         return;
 283     }
 284     if (out)
 285     {
 286         fprintf(out, "\n\tM E G A - F L O P S   A C C O U N T I N G\n\n");
 287     }
 288
 289     if (out)
 290     {
 291         fprintf(out, " NB=Group-cutoff nonbonded kernels    NxN=N-by-N cluster Verlet kernels\n");
 292         fprintf(out, " RF=Reaction-Field  VdW=Van der Waals  QSTab=quadratic-spline table\n");
 293         fprintf(out, " W3=SPC/TIP3p  W4=TIP4p (single or pairs)\n");
 294         fprintf(out, " V&F=Potential and force  V=Potential only  F=Force only\n\n");
 295
 296         fprintf(out, " %-32s %16s %15s  %7s\n",
 297                 "Computing:", "M-Number", "M-Flops", "% Flops");
 298         fprintf(out, "%s\n", myline);
 299     }
 300     *mflop = 0.0;
 301     tfrac  = 0.0;
 302     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 303     {
 304         mni     = 1e-6*nrnb->n[i];
 305         *mflop += mni*nbdata[i].flop;
 306         frac    = 100.0*mni*nbdata[i].flop/tflop;
 307         tfrac  += frac;
 308         if (out && mni != 0)
 309         {
 310             fprintf(out, " %-32s %16.6f %15.3f  %6.1f\n",
 311                     nbdata[i].name, mni, mni*nbdata[i].flop, frac);
 312         }
 313     }
 314     if (out)
 315     {
 316         fprintf(out, "%s\n", myline);
 317         fprintf(out, " %-32s %16s %15.3f  %6.1f\n",
 318                 "Total", "", *mflop, tfrac);
 319         fprintf(out, "%s\n\n", myline);
 320     }
 321 }
 322
 323 void print_perf(FILE *out, double nodetime, double realtime, int nprocs,
 324                 gmx_large_int_t nsteps, real delta_t,
 325                 double nbfs, double mflop,
 326                 int omp_nth_pp)
 327 {
 328     real runtime;
 329
 330     fprintf(out, "\n");
 331
 332     if (realtime > 0)
 333     {
 334         fprintf(out, "%12s %12s %12s %10s\n", "", "Core t (s)", "Wall t (s)", "(%)");
 335         fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f %10.1f\n", "Time:",
 336                 nodetime, realtime, 100.0*nodetime/realtime);
 337         /* only print day-hour-sec format if realtime is more than 30 min */
 338         if (realtime > 30*60)
 339         {
 340             fprintf(out, "%12s %12s", "", "");
 341             pr_difftime(out, realtime);
 342         }
 343         if (delta_t > 0)
 344         {
 345             mflop   = mflop/realtime;
 346             runtime = nsteps*delta_t;
 347
 348             if (getenv("GMX_DETAILED_PERF_STATS") == NULL)
 349             {
 350                 fprintf(out, "%12s %12s %12s\n",
 351                         "", "(ns/day)", "(hour/ns)");
 352                 fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f\n", "Performance:",
 353                         runtime*24*3.6/realtime, 1000*realtime/(3600*runtime));
 354             }
 355             else
 356             {
 357                 fprintf(out, "%12s %12s %12s %12s %12s\n",
 358                         "", "(Mnbf/s)", (mflop > 1000) ? "(GFlops)" : "(MFlops)",
 359                         "(ns/day)", "(hour/ns)");
 360                 fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f %12.3f %12.3f\n", "Performance:",
 361                         nbfs/realtime, (mflop > 1000) ? (mflop/1000) : mflop,
 362                         runtime*24*3.6/realtime, 1000*realtime/(3600*runtime));
 363             }
 364         }
 365         else
 366         {
 367             if (getenv("GMX_DETAILED_PERF_STATS") == NULL)
 368             {
 369                 fprintf(out, "%12s %14s\n",
 370                         "", "(steps/hour)");
 371                 fprintf(out, "%12s %14.1f\n", "Performance:",
 372                         nsteps*3600.0/realtime);
 373             }
 374             else
 375             {
 376                 fprintf(out, "%12s %12s %12s %14s\n",
 377                         "", "(Mnbf/s)", (mflop > 1000) ? "(GFlops)" : "(MFlops)",
 378                         "(steps/hour)");
 379                 fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f %14.1f\n", "Performance:",
 380                         nbfs/realtime, (mflop > 1000) ? (mflop/1000) : mflop,
 381                         nsteps*3600.0/realtime);
 382             }
 383         }
 384     }
 385 }
 386
 387 int cost_nrnb(int enr)
 388 {
 389     return nbdata[enr].flop;
 390 }
 391
 392 const char *nrnb_str(int enr)
 393 {
 394     return nbdata[enr].name;
 395 }
 396
 397 static const int    force_index[] = {
 398     eNR_BONDS,  eNR_ANGLES,  eNR_PROPER, eNR_IMPROPER,
 399     eNR_RB,     eNR_DISRES,  eNR_ORIRES, eNR_POSRES,
 400     eNR_FBPOSRES, eNR_NS,
 401 };
 402 #define NFORCE_INDEX asize(force_index)
 403
 404 static const int    constr_index[] = {
 405     eNR_SHAKE,     eNR_SHAKE_RIJ, eNR_SETTLE,       eNR_UPDATE,       eNR_PCOUPL,
 406     eNR_CONSTR_VIR, eNR_CONSTR_V
 407 };
 408 #define NCONSTR_INDEX asize(constr_index)
 409
 410 static double pr_av(FILE *log, t_commrec *cr,
 411                     double fav, double ftot[], const char *title)
 412 {
 413     int    i, perc;
 414     double dperc, unb;
 415
 416     unb = 0;
 417     if (fav > 0)
 418     {
 419         fav /= cr->nnodes - cr->npmenodes;
 420         fprintf(log, "\n %-26s", title);
 421         for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 422         {
 423             dperc = (100.0*ftot[i])/fav;
 424             unb   = max(unb, dperc);
 425             perc  = dperc;
 426             fprintf(log, "%3d ", perc);
 427         }
 428         if (unb > 0)
 429         {
 430             perc = 10000.0/unb;
 431             fprintf(log, "%6d%%\n\n", perc);
 432         }
 433         else
 434         {
 435             fprintf(log, "\n\n");
 436         }
 437     }
 438     return unb;
 439 }
 440
 441 void pr_load(FILE *log, t_commrec *cr, t_nrnb nrnb[])
 442 {
 443     int     i, j, perc;
 444     double  dperc, unb, uf, us;
 445     double *ftot, fav;
 446     double *stot, sav;
 447     t_nrnb *av;
 448
 449     snew(av, 1);
 450     snew(ftot, cr->nnodes);
 451     snew(stot, cr->nnodes);
 452     init_nrnb(av);
 453     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 454     {
 455         add_nrnb(av, av, &(nrnb[i]));
 456         /* Cost due to forces */
 457         for (j = 0; (j < eNR_NBKERNEL_ALLVSALLGB); j++)
 458         {
 459             ftot[i] += nrnb[i].n[j]*cost_nrnb(j);
 460         }
 461         for (j = 0; (j < NFORCE_INDEX); j++)
 462         {
 463             ftot[i] += nrnb[i].n[force_index[j]]*cost_nrnb(force_index[j]);
 464         }
 465         /* Due to shake */
 466         for (j = 0; (j < NCONSTR_INDEX); j++)
 467         {
 468             stot[i] += nrnb[i].n[constr_index[j]]*cost_nrnb(constr_index[j]);
 469         }
 470     }
 471     for (j = 0; (j < eNRNB); j++)
 472     {
 473         av->n[j] = av->n[j]/(double)(cr->nnodes - cr->npmenodes);
 474     }
 475
 476     fprintf(log, "\nDetailed load balancing info in percentage of average\n");
 477
 478     fprintf(log, " Type                 NODE:");
 479     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 480     {
 481         fprintf(log, "%3d ", i);
 482     }
 483     fprintf(log, "Scaling\n");
 484     fprintf(log, "---------------------------");
 485     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 486     {
 487         fprintf(log, "----");
 488     }
 489     fprintf(log, "-------\n");
 490
 491     for (j = 0; (j < eNRNB); j++)
 492     {
 493         unb = 100.0;
 494         if (av->n[j] > 0)
 495         {
 496             fprintf(log, " %-26s", nrnb_str(j));
 497             for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 498             {
 499                 dperc = (100.0*nrnb[i].n[j])/av->n[j];
 500                 unb   = max(unb, dperc);
 501                 perc  = dperc;
 502                 fprintf(log, "%3d ", perc);
 503             }
 504             if (unb > 0)
 505             {
 506                 perc = 10000.0/unb;
 507                 fprintf(log, "%6d%%\n", perc);
 508             }
 509             else
 510             {
 511                 fprintf(log, "\n");
 512             }
 513         }
 514     }
 515     fav = sav = 0;
 516     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 517     {
 518         fav += ftot[i];
 519         sav += stot[i];
 520     }
 521     uf = pr_av(log, cr, fav, ftot, "Total Force");
 522     us = pr_av(log, cr, sav, stot, "Total Constr.");
 523
 524     unb = (uf*fav+us*sav)/(fav+sav);
 525     if (unb > 0)
 526     {
 527         unb = 10000.0/unb;
 528         fprintf(log, "\nTotal Scaling: %.0f%% of max performance\n\n", unb);
 529     }
 530 }