src/gromacs/gmxlib/nrnb.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  38 #include <config.h>
  39 #endif
  40
  41 #include <string.h>
  42 #include "types/commrec.h"
  43 #include "sysstuff.h"
  44 #include "gmx_fatal.h"
  45 #include "names.h"
  46 #include "macros.h"
  47 #include "nrnb.h"
  48 #include "main.h"
  49 #include "smalloc.h"
  50
  51 typedef struct {
  52     const char *name;
  53     int         flop;
  54 } t_nrnb_data;
  55
  56
  57 static const t_nrnb_data nbdata[eNRNB] = {
  58     /* These are re-used for different NB kernels, since there are so many.
  59      * The actual number of flops is set dynamically.
  60      */
  61     { "NB VdW [V&F]",                    1 },
  62     { "NB VdW [F]",                      1 },
  63     { "NB Elec. [V&F]",                  1 },
  64     { "NB Elec. [F]",                    1 },
  65     { "NB Elec. [W3,V&F]",               1 },
  66     { "NB Elec. [W3,F]",                 1 },
  67     { "NB Elec. [W3-W3,V&F]",            1 },
  68     { "NB Elec. [W3-W3,F]",              1 },
  69     { "NB Elec. [W4,V&F]",               1 },
  70     { "NB Elec. [W4,F]",                 1 },
  71     { "NB Elec. [W4-W4,V&F]",            1 },
  72     { "NB Elec. [W4-W4,F]",              1 },
  73     { "NB VdW & Elec. [V&F]",            1 },
  74     { "NB VdW & Elec. [F]",              1 },
  75     { "NB VdW & Elec. [W3,V&F]",         1 },
  76     { "NB VdW & Elec. [W3,F]",           1 },
  77     { "NB VdW & Elec. [W3-W3,V&F]",      1 },
  78     { "NB VdW & Elec. [W3-W3,F]",        1 },
  79     { "NB VdW & Elec. [W4,V&F]",         1 },
  80     { "NB VdW & Elec. [W4,F]",           1 },
  81     { "NB VdW & Elec. [W4-W4,V&F]",      1 },
  82     { "NB VdW & Elec. [W4-W4,F]",        1 },
  83
  84     { "NB Generic kernel",               1 },
  85     { "NB Generic charge grp kernel",    1 },
  86     { "NB Generic AdResS kernel",        1 },
  87     { "NB Free energy kernel",           1 },
  88     { "NB All-vs-all",                   1 },
  89     { "NB All-vs-all, GB",               1 },
  90
  91     { "Pair Search distance check",      9 }, /* nbnxn pair dist. check */
  92     /* nbnxn kernel flops are based on inner-loops without exclusion checks.
  93      * Plain Coulomb runs through the RF kernels, except with CUDA.
  94      * invsqrt is counted as 6 flops: 1 for _mm_rsqt_ps + 5 for iteration.
  95      * The flops are equal for plain-C, x86 SIMD and CUDA, except for:
  96      * - plain-C kernel uses one flop more for Coulomb-only (F) than listed
  97      * - x86 SIMD LJ geom-comb.rule kernels (fastest) use 2 more flops
  98      * - x86 SIMD LJ LB-comb.rule kernels (fast) use 3 (8 for F+E) more flops
  99      * - GPU always does exclusions, which requires 2-4 flops, but as invsqrt
 100      *   is always counted as 6 flops, this roughly compensates.
 101      */
 102     { "NxN RF Elec. + VdW [F]",         38 }, /* nbnxn kernel LJ+RF, no ener */
 103     { "NxN RF Elec. + VdW [V&F]",       54 },
 104     { "NxN QSTab Elec. + VdW [F]",      41 }, /* nbnxn kernel LJ+tab, no en */
 105     { "NxN QSTab Elec. + VdW [V&F]",    59 },
 106     { "NxN Ewald Elec. + VdW [F]",      66 }, /* nbnxn kernel LJ+Ewald, no en */
 107     { "NxN Ewald Elec. + VdW [V&F]",   107 },
 108     { "NxN VdW [F]",                    33 }, /* nbnxn kernel LJ, no ener */
 109     { "NxN VdW [V&F]",                  43 },
 110     { "NxN RF Electrostatics [F]",      31 }, /* nbnxn kernel RF, no ener */
 111     { "NxN RF Electrostatics [V&F]",    36 },
 112     { "NxN QSTab Elec. [F]",            34 }, /* nbnxn kernel tab, no ener */
 113     { "NxN QSTab Elec. [V&F]",          41 },
 114     { "NxN Ewald Elec. [F]",            61 }, /* nbnxn kernel Ewald, no ener */
 115     { "NxN Ewald Elec. [V&F]",          84 },
 116     { "1,4 nonbonded interactions",     90 },
 117     { "Born radii (Still)",             47 },
 118     { "Born radii (HCT/OBC)",          183 },
 119     { "Born force chain rule",          15 },
 120     { "All-vs-All Still radii",          1 },
 121     { "All-vs-All HCT/OBC radii",        1 },
 122     { "All-vs-All Born chain rule",      1 },
 123     { "Calc Weights",                   36 },
 124     { "Spread Q",                        6 },
 125     { "Spread Q Bspline",                2 },
 126     { "Gather F",                      23  },
 127     { "Gather F Bspline",              6   },
 128     { "3D-FFT",                        8   },
 129     { "Convolution",                   4   },
 130     { "Solve PME",                     64  },
 131     { "NS-Pairs",                      21  },
 132     { "Reset In Box",                  3   },
 133     { "Shift-X",                       6   },
 134     { "CG-CoM",                        3   },
 135     { "Sum Forces",                    1   },
 136     { "Bonds",                         59  },
 137     { "G96Bonds",                      44  },
 138     { "FENE Bonds",                    58  },
 139     { "Tab. Bonds",                    62  },
 140     { "Restraint Potential",           86  },
 141     { "Linear Angles",                 57  },
 142     { "Angles",                        168 },
 143     { "G96Angles",                     150 },
 144     { "Quartic Angles",                160 },
 145     { "Tab. Angles",                   169 },
 146     { "Propers",                       229 },
 147     { "Impropers",                     208 },
 148     { "RB-Dihedrals",                  247 },
 149     { "Four. Dihedrals",               247 },
 150     { "Tab. Dihedrals",                227 },
 151     { "Dist. Restr.",                  200 },
 152     { "Orient. Restr.",                200 },
 153     { "Dihedral Restr.",               200 },
 154     { "Pos. Restr.",                   50  },
 155     { "Flat-bottom posres",            50  },
 156     { "Angle Restr.",                  191 },
 157     { "Angle Restr. Z",                164 },
 158     { "Morse Potent.",                 83  },
 159     { "Cubic Bonds",                   54  },
 160     { "Walls",                         31  },
 161     { "Polarization",                  59  },
 162     { "Anharmonic Polarization",       72  },
 163     { "Water Pol.",                    62  },
 164     { "Thole Pol.",                    296 },
 165     { "Virial",                        18  },
 166     { "Update",                        31  },
 167     { "Ext.ens. Update",               54  },
 168     { "Stop-CM",                       10  },
 169     { "P-Coupling",                    6   },
 170     { "Calc-Ekin",                     27  },
 171     { "Lincs",                         60  },
 172     { "Lincs-Mat",                     4   },
 173     { "Shake",                         30  },
 174     { "Constraint-V",                   8  },
 175     { "Shake-Init",                    10  },
 176     { "Constraint-Vir",                24  },
 177     { "Settle",                        323 },
 178     { "Virtual Site 2",                23  },
 179     { "Virtual Site 3",                37  },
 180     { "Virtual Site 3fd",              95  },
 181     { "Virtual Site 3fad",             176 },
 182     { "Virtual Site 3out",             87  },
 183     { "Virtual Site 4fd",              110 },
 184     { "Virtual Site 4fdn",             254 },
 185     { "Virtual Site N",                 15 },
 186     { "Mixed Generalized Born stuff",   10 }
 187 };
 188
 189 static void pr_two(FILE *out, int c, int i)
 190 {
 191     if (i < 10)
 192     {
 193         fprintf(out, "%c0%1d", c, i);
 194     }
 195     else
 196     {
 197         fprintf(out, "%c%2d", c, i);
 198     }
 199 }
 200
 201 static void pr_difftime(FILE *out, double dt)
 202 {
 203     int        ndays, nhours, nmins, nsecs;
 204     gmx_bool   bPrint, bPrinted;
 205
 206     ndays    = dt/(24*3600);
 207     dt       = dt-24*3600*ndays;
 208     nhours   = dt/3600;
 209     dt       = dt-3600*nhours;
 210     nmins    = dt/60;
 211     dt       = dt-nmins*60;
 212     nsecs    = dt;
 213     bPrint   = (ndays > 0);
 214     bPrinted = bPrint;
 215     if (bPrint)
 216     {
 217         fprintf(out, "%d", ndays);
 218     }
 219     bPrint = bPrint || (nhours > 0);
 220     if (bPrint)
 221     {
 222         if (bPrinted)
 223         {
 224             pr_two(out, 'd', nhours);
 225         }
 226         else
 227         {
 228             fprintf(out, "%d", nhours);
 229         }
 230     }
 231     bPrinted = bPrinted || bPrint;
 232     bPrint   = bPrint || (nmins > 0);
 233     if (bPrint)
 234     {
 235         if (bPrinted)
 236         {
 237             pr_two(out, 'h', nmins);
 238         }
 239         else
 240         {
 241             fprintf(out, "%d", nmins);
 242         }
 243     }
 244     bPrinted = bPrinted || bPrint;
 245     if (bPrinted)
 246     {
 247         pr_two(out, ':', nsecs);
 248     }
 249     else
 250     {
 251         fprintf(out, "%ds", nsecs);
 252     }
 253     fprintf(out, "\n");
 254 }
 255
 256 void init_nrnb(t_nrnb *nrnb)
 257 {
 258     int i;
 259
 260     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 261     {
 262         nrnb->n[i] = 0.0;
 263     }
 264 }
 265
 266 void cp_nrnb(t_nrnb *dest, t_nrnb *src)
 267 {
 268     int i;
 269
 270     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 271     {
 272         dest->n[i] = src->n[i];
 273     }
 274 }
 275
 276 void add_nrnb(t_nrnb *dest, t_nrnb *s1, t_nrnb *s2)
 277 {
 278     int i;
 279
 280     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 281     {
 282         dest->n[i] = s1->n[i]+s2->n[i];
 283     }
 284 }
 285
 286 void print_nrnb(FILE *out, t_nrnb *nrnb)
 287 {
 288     int i;
 289
 290     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 291     {
 292         if (nrnb->n[i] > 0)
 293         {
 294             fprintf(out, " %-26s %10.0f.\n", nbdata[i].name, nrnb->n[i]);
 295         }
 296     }
 297 }
 298
 299 void _inc_nrnb(t_nrnb *nrnb, int enr, int inc, char gmx_unused *file, int gmx_unused line)
 300 {
 301     nrnb->n[enr] += inc;
 302 #ifdef DEBUG_NRNB
 303     printf("nrnb %15s(%2d) incremented with %8d from file %s line %d\n",
 304            nbdata[enr].name, enr, inc, file, line);
 305 #endif
 306 }
 307
 308 void print_flop(FILE *out, t_nrnb *nrnb, double *nbfs, double *mflop)
 309 {
 310     int           i;
 311     double        mni, frac, tfrac, tflop;
 312     const char   *myline = "-----------------------------------------------------------------------------";
 313
 314     *nbfs = 0.0;
 315     for (i = 0; (i < eNR_NBKERNEL_ALLVSALLGB); i++)
 316     {
 317         if (strstr(nbdata[i].name, "W3-W3") != NULL)
 318         {
 319             *nbfs += 9e-6*nrnb->n[i];
 320         }
 321         else if (strstr(nbdata[i].name, "W3") != NULL)
 322         {
 323             *nbfs += 3e-6*nrnb->n[i];
 324         }
 325         else if (strstr(nbdata[i].name, "W4-W4") != NULL)
 326         {
 327             *nbfs += 10e-6*nrnb->n[i];
 328         }
 329         else if (strstr(nbdata[i].name, "W4") != NULL)
 330         {
 331             *nbfs += 4e-6*nrnb->n[i];
 332         }
 333         else
 334         {
 335             *nbfs += 1e-6*nrnb->n[i];
 336         }
 337     }
 338     tflop = 0;
 339     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 340     {
 341         tflop += 1e-6*nrnb->n[i]*nbdata[i].flop;
 342     }
 343
 344     if (tflop == 0)
 345     {
 346         fprintf(out, "No MEGA Flopsen this time\n");
 347         return;
 348     }
 349     if (out)
 350     {
 351         fprintf(out, "\n\tM E G A - F L O P S   A C C O U N T I N G\n\n");
 352     }
 353
 354     if (out)
 355     {
 356         fprintf(out, " NB=Group-cutoff nonbonded kernels    NxN=N-by-N cluster Verlet kernels\n");
 357         fprintf(out, " RF=Reaction-Field  VdW=Van der Waals  QSTab=quadratic-spline table\n");
 358         fprintf(out, " W3=SPC/TIP3p  W4=TIP4p (single or pairs)\n");
 359         fprintf(out, " V&F=Potential and force  V=Potential only  F=Force only\n\n");
 360
 361         fprintf(out, " %-32s %16s %15s  %7s\n",
 362                 "Computing:", "M-Number", "M-Flops", "% Flops");
 363         fprintf(out, "%s\n", myline);
 364     }
 365     *mflop = 0.0;
 366     tfrac  = 0.0;
 367     for (i = 0; (i < eNRNB); i++)
 368     {
 369         mni     = 1e-6*nrnb->n[i];
 370         *mflop += mni*nbdata[i].flop;
 371         frac    = 100.0*mni*nbdata[i].flop/tflop;
 372         tfrac  += frac;
 373         if (out && mni != 0)
 374         {
 375             fprintf(out, " %-32s %16.6f %15.3f  %6.1f\n",
 376                     nbdata[i].name, mni, mni*nbdata[i].flop, frac);
 377         }
 378     }
 379     if (out)
 380     {
 381         fprintf(out, "%s\n", myline);
 382         fprintf(out, " %-32s %16s %15.3f  %6.1f\n",
 383                 "Total", "", *mflop, tfrac);
 384         fprintf(out, "%s\n\n", myline);
 385     }
 386 }
 387
 388 void print_perf(FILE *out, double time_per_thread, double time_per_node,
 389                 gmx_int64_t nsteps, real delta_t,
 390                 double nbfs, double mflop)
 391 {
 392     real wallclocktime;
 393
 394     fprintf(out, "\n");
 395
 396     if (time_per_node > 0)
 397     {
 398         fprintf(out, "%12s %12s %12s %10s\n", "", "Core t (s)", "Wall t (s)", "(%)");
 399         fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f %10.1f\n", "Time:",
 400                 time_per_thread, time_per_node, 100.0*time_per_thread/time_per_node);
 401         /* only print day-hour-sec format if time_per_node is more than 30 min */
 402         if (time_per_node > 30*60)
 403         {
 404             fprintf(out, "%12s %12s", "", "");
 405             pr_difftime(out, time_per_node);
 406         }
 407         if (delta_t > 0)
 408         {
 409             mflop         = mflop/time_per_node;
 410             wallclocktime = nsteps*delta_t;
 411
 412             if (getenv("GMX_DETAILED_PERF_STATS") == NULL)
 413             {
 414                 fprintf(out, "%12s %12s %12s\n",
 415                         "", "(ns/day)", "(hour/ns)");
 416                 fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f\n", "Performance:",
 417                         wallclocktime*24*3.6/time_per_node, 1000*time_per_node/(3600*wallclocktime));
 418             }
 419             else
 420             {
 421                 fprintf(out, "%12s %12s %12s %12s %12s\n",
 422                         "", "(Mnbf/s)", (mflop > 1000) ? "(GFlops)" : "(MFlops)",
 423                         "(ns/day)", "(hour/ns)");
 424                 fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f %12.3f %12.3f\n", "Performance:",
 425                         nbfs/time_per_node, (mflop > 1000) ? (mflop/1000) : mflop,
 426                         wallclocktime*24*3.6/time_per_node, 1000*time_per_node/(3600*wallclocktime));
 427             }
 428         }
 429         else
 430         {
 431             if (getenv("GMX_DETAILED_PERF_STATS") == NULL)
 432             {
 433                 fprintf(out, "%12s %14s\n",
 434                         "", "(steps/hour)");
 435                 fprintf(out, "%12s %14.1f\n", "Performance:",
 436                         nsteps*3600.0/time_per_node);
 437             }
 438             else
 439             {
 440                 fprintf(out, "%12s %12s %12s %14s\n",
 441                         "", "(Mnbf/s)", (mflop > 1000) ? "(GFlops)" : "(MFlops)",
 442                         "(steps/hour)");
 443                 fprintf(out, "%12s %12.3f %12.3f %14.1f\n", "Performance:",
 444                         nbfs/time_per_node, (mflop > 1000) ? (mflop/1000) : mflop,
 445                         nsteps*3600.0/time_per_node);
 446             }
 447         }
 448     }
 449 }
 450
 451 int cost_nrnb(int enr)
 452 {
 453     return nbdata[enr].flop;
 454 }
 455
 456 const char *nrnb_str(int enr)
 457 {
 458     return nbdata[enr].name;
 459 }
 460
 461 static const int    force_index[] = {
 462     eNR_BONDS,  eNR_ANGLES,  eNR_PROPER, eNR_IMPROPER,
 463     eNR_RB,     eNR_DISRES,  eNR_ORIRES, eNR_POSRES,
 464     eNR_FBPOSRES, eNR_NS,
 465 };
 466 #define NFORCE_INDEX asize(force_index)
 467
 468 static const int    constr_index[] = {
 469     eNR_SHAKE,     eNR_SHAKE_RIJ, eNR_SETTLE,       eNR_UPDATE,       eNR_PCOUPL,
 470     eNR_CONSTR_VIR, eNR_CONSTR_V
 471 };
 472 #define NCONSTR_INDEX asize(constr_index)
 473
 474 static double pr_av(FILE *log, t_commrec *cr,
 475                     double fav, double ftot[], const char *title)
 476 {
 477     int    i, perc;
 478     double dperc, unb;
 479
 480     unb = 0;
 481     if (fav > 0)
 482     {
 483         fav /= cr->nnodes - cr->npmenodes;
 484         fprintf(log, "\n %-26s", title);
 485         for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 486         {
 487             dperc = (100.0*ftot[i])/fav;
 488             unb   = max(unb, dperc);
 489             perc  = dperc;
 490             fprintf(log, "%3d ", perc);
 491         }
 492         if (unb > 0)
 493         {
 494             perc = 10000.0/unb;
 495             fprintf(log, "%6d%%\n\n", perc);
 496         }
 497         else
 498         {
 499             fprintf(log, "\n\n");
 500         }
 501     }
 502     return unb;
 503 }
 504
 505 void pr_load(FILE *log, t_commrec *cr, t_nrnb nrnb[])
 506 {
 507     int     i, j, perc;
 508     double  dperc, unb, uf, us;
 509     double *ftot, fav;
 510     double *stot, sav;
 511     t_nrnb *av;
 512
 513     snew(av, 1);
 514     snew(ftot, cr->nnodes);
 515     snew(stot, cr->nnodes);
 516     init_nrnb(av);
 517     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 518     {
 519         add_nrnb(av, av, &(nrnb[i]));
 520         /* Cost due to forces */
 521         for (j = 0; (j < eNR_NBKERNEL_ALLVSALLGB); j++)
 522         {
 523             ftot[i] += nrnb[i].n[j]*cost_nrnb(j);
 524         }
 525         for (j = 0; (j < NFORCE_INDEX); j++)
 526         {
 527             ftot[i] += nrnb[i].n[force_index[j]]*cost_nrnb(force_index[j]);
 528         }
 529         /* Due to shake */
 530         for (j = 0; (j < NCONSTR_INDEX); j++)
 531         {
 532             stot[i] += nrnb[i].n[constr_index[j]]*cost_nrnb(constr_index[j]);
 533         }
 534     }
 535     for (j = 0; (j < eNRNB); j++)
 536     {
 537         av->n[j] = av->n[j]/(double)(cr->nnodes - cr->npmenodes);
 538     }
 539
 540     fprintf(log, "\nDetailed load balancing info in percentage of average\n");
 541
 542     fprintf(log, " Type                 NODE:");
 543     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 544     {
 545         fprintf(log, "%3d ", i);
 546     }
 547     fprintf(log, "Scaling\n");
 548     fprintf(log, "---------------------------");
 549     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 550     {
 551         fprintf(log, "----");
 552     }
 553     fprintf(log, "-------\n");
 554
 555     for (j = 0; (j < eNRNB); j++)
 556     {
 557         unb = 100.0;
 558         if (av->n[j] > 0)
 559         {
 560             fprintf(log, " %-26s", nrnb_str(j));
 561             for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 562             {
 563                 dperc = (100.0*nrnb[i].n[j])/av->n[j];
 564                 unb   = max(unb, dperc);
 565                 perc  = dperc;
 566                 fprintf(log, "%3d ", perc);
 567             }
 568             if (unb > 0)
 569             {
 570                 perc = 10000.0/unb;
 571                 fprintf(log, "%6d%%\n", perc);
 572             }
 573             else
 574             {
 575                 fprintf(log, "\n");
 576             }
 577         }
 578     }
 579     fav = sav = 0;
 580     for (i = 0; (i < cr->nnodes); i++)
 581     {
 582         fav += ftot[i];
 583         sav += stot[i];
 584     }
 585     uf = pr_av(log, cr, fav, ftot, "Total Force");
 586     us = pr_av(log, cr, sav, stot, "Total Constr.");
 587
 588     unb = (uf*fav+us*sav)/(fav+sav);
 589     if (unb > 0)
 590     {
 591         unb = 10000.0/unb;
 592         fprintf(log, "\nTotal Scaling: %.0f%% of max performance\n\n", unb);
 593     }
 594 }