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