src/gromacs/gpu_utils/ocl_compiler.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018, 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 /*! \internal \file
  36  *  \brief Define infrastructure for OpenCL JIT compilation for Gromacs
  37  *
  38  *  \author Dimitrios Karkoulis <dimitris.karkoulis@gmail.com>
  39  *  \author Anca Hamuraru <anca@streamcomputing.eu>
  40  *  \author Teemu Virolainen <teemu@streamcomputing.eu>
  41  *  \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  42  */
  43
  44 #include "gmxpre.h"
  45
  46 #include "ocl_compiler.h"
  47
  48 #include "config.h"
  49
  50 #include <cstdio>
  51
  52 #include <algorithm>
  53 #include <string>
  54 #include <vector>
  55
  56 #include "gromacs/gpu_utils/oclutils.h"
  57 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  58 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  59 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  60 #include "gromacs/utility/path.h"
  61 #include "gromacs/utility/programcontext.h"
  62 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  63 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  64 #include "gromacs/utility/textreader.h"
  65 #include "gromacs/utility/unique_cptr.h"
  66
  67 #include "ocl_caching.h"
  68
  69 namespace gmx
  70 {
  71 namespace ocl
  72 {
  73
  74 /*! \brief True if OpenCL binary caching is enabled.
  75  *
  76  *  Currently caching is disabled by default unless the env var override
  77  *  is used until we resolve concurrency issues. */
  78 static bool useBuildCache = getenv("GMX_OCL_GENCACHE"); // (NULL == getenv("GMX_OCL_NOGENCACHE"));
  79
  80 /*! \brief Handles writing the OpenCL JIT compilation log to \c fplog.
  81  *
  82  * If \c fplog is non-null and either the GMX_OCL_DUMP_LOG environment
  83  * variable is set or the compilation failed, then the OpenCL
  84  * compilation log is written.
  85  *
  86  * \param fplog               Open file pointer to log file
  87  * \param program             OpenCL program that was compiled
  88  * \param deviceId            Id of the device for which compilation took place
  89  * \param kernelFilename      File name containing the kernel
  90  * \param preprocessorOptions String containing the preprocessor command-line options used for the build
  91  * \param buildFailed         Whether the OpenCL build succeeded
  92  *
  93  * \throws std::bad_alloc if out of memory */
  94 static void
  95 writeOclBuildLog(FILE              *fplog,
  96                  cl_program         program,
  97                  cl_device_id       deviceId,
  98                  const std::string &kernelFilename,
  99                  const std::string &preprocessorOptions,
 100                  bool               buildFailed)
 101 {
 102     bool writeOutput = ((fplog != nullptr) &&
 103                         (buildFailed || (getenv("GMX_OCL_DUMP_LOG") != nullptr)));
 104
 105     if (!writeOutput)
 106     {
 107         return;
 108     }
 109
 110     // Get build log string size
 111     size_t buildLogSize;
 112     cl_int cl_error = clGetProgramBuildInfo(program,
 113                                             deviceId,
 114                                             CL_PROGRAM_BUILD_LOG,
 115                                             0,
 116                                             NULL,
 117                                             &buildLogSize);
 118     if (cl_error != CL_SUCCESS)
 119     {
 120         GMX_THROW(InternalError("Could not get OpenCL program build log size, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 121     }
 122
 123     char             *buildLog = nullptr;
 124     unique_cptr<char> buildLogGuard;
 125     if (buildLogSize != 0)
 126     {
 127         /* Allocate memory to fit the build log,
 128            it can be very large in case of errors */
 129         snew(buildLog, buildLogSize);
 130         buildLogGuard.reset(buildLog);
 131
 132         /* Get the actual compilation log */
 133         cl_error = clGetProgramBuildInfo(program,
 134                                          deviceId,
 135                                          CL_PROGRAM_BUILD_LOG,
 136                                          buildLogSize,
 137                                          buildLog,
 138                                          NULL);
 139         if (cl_error != CL_SUCCESS)
 140         {
 141             GMX_THROW(InternalError("Could not get OpenCL program build log, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 142         }
 143     }
 144
 145     std::string message;
 146     if (buildFailed)
 147     {
 148         message += "Compilation of source file " + kernelFilename + " failed!\n";
 149     }
 150     else
 151     {
 152         message += "Compilation of source file " + kernelFilename + " was successful!\n";
 153     }
 154     message += "-- Used build options: " + preprocessorOptions + "\n";
 155     message += "--------------LOG START---------------\n";
 156     message += buildLog;
 157     message += "---------------LOG END----------------\n";;
 158
 159     fputs(message.c_str(), fplog);
 160 }
 161
 162 /*! \brief Construct compiler options string
 163  *
 164  * \param deviceVendorId  Device vendor id. Used to
 165  *          automatically enable some vendor-specific options
 166  * \return The string with the compiler options
 167  */
 168 static std::string
 169 selectCompilerOptions(ocl_vendor_id_t deviceVendorId)
 170 {
 171     std::string compilerOptions;
 172
 173     if (getenv("GMX_OCL_NOOPT") )
 174     {
 175         compilerOptions += " -cl-opt-disable";
 176     }
 177
 178     /* Fastmath imprves performance on all supported arch */
 179     if (getenv("GMX_OCL_DISABLE_FASTMATH") == NULL)
 180     {
 181         compilerOptions += " -cl-fast-relaxed-math";
 182     }
 183
 184     if ((deviceVendorId == OCL_VENDOR_NVIDIA) && getenv("GMX_OCL_VERBOSE"))
 185     {
 186         compilerOptions += " -cl-nv-verbose";
 187     }
 188
 189     if ((deviceVendorId == OCL_VENDOR_AMD) && getenv("GMX_OCL_DUMP_INTERM_FILES"))
 190     {
 191         /* To dump OpenCL build intermediate files, caching must be off */
 192         if (!useBuildCache)
 193         {
 194             compilerOptions += " -save-temps";
 195         }
 196     }
 197
 198     if ( ( deviceVendorId == OCL_VENDOR_AMD ) && getenv("GMX_OCL_DEBUG"))
 199     {
 200         compilerOptions += " -g";
 201     }
 202
 203     return compilerOptions;
 204 }
 205
 206 /*! \brief Get the path to the main folder storing OpenCL kernels.
 207  *
 208  * By default, this function constructs the full path to the OpenCL from
 209  * the known location of the binary that is running, so that we handle
 210  * both in-source and installed builds. The user can override this
 211  * behavior by defining GMX_OCL_FILE_PATH environment variable.
 212  *
 213  * \return OS-normalized path string to the main folder storing OpenCL kernels
 214  *
 215  * \throws std::bad_alloc    if out of memory.
 216  *         FileIOError  if GMX_OCL_FILE_PATH does not specify a readable path
 217  */
 218 static std::string
 219 getKernelRootPath()
 220 {
 221     std::string kernelRootPath;
 222     /* Use GMX_OCL_FILE_PATH if the user has defined it */
 223     const char *gmxOclFilePath = getenv("GMX_OCL_FILE_PATH");
 224
 225     if (gmxOclFilePath == nullptr)
 226     {
 227         /* Normal way of getting ocl_root_dir. First get the right
 228            root path from the path to the binary that is running. */
 229         InstallationPrefixInfo      info           = getProgramContext().installationPrefix();
 230         std::string                 dataPathSuffix = (info.bSourceLayout ?
 231                                                       "src/gromacs/mdlib/nbnxn_ocl" :
 232                                                       OCL_INSTALL_DIR);
 233         kernelRootPath = Path::join(info.path, dataPathSuffix);
 234     }
 235     else
 236     {
 237         if (!Directory::exists(gmxOclFilePath))
 238         {
 239             GMX_THROW(FileIOError(formatString("GMX_OCL_FILE_PATH must point to the directory where OpenCL"
 240                                                "kernels are found, but '%s' does not exist", gmxOclFilePath)));
 241         }
 242         kernelRootPath = gmxOclFilePath;
 243     }
 244
 245     // Make sure we return an OS-correct path format
 246     return Path::normalize(kernelRootPath);
 247 }
 248
 249 /*!  \brief Get the warp size reported by device
 250  *
 251  *  This is platform implementation dependant and seems to only work on the Nvidia and AMD platforms!
 252  *  Nvidia reports 32, AMD for GPU 64. Ignore the rest
 253  *
 254  *  \param  context   Current OpenCL context
 255  *  \param  deviceId OpenCL device with the context
 256  *  \return cl_int value of the warp size
 257  *
 258  * \throws InternalError if an OpenCL error was encountered
 259  */
 260 static size_t
 261 getWarpSize(cl_context context, cl_device_id deviceId)
 262 {
 263     cl_int      cl_error;
 264     const char *warpSizeKernel = "__kernel void test(__global int* test){test[get_local_id(0)] = 0;}";
 265     cl_program  program        = clCreateProgramWithSource(context, 1, (const char**)&warpSizeKernel, NULL, &cl_error);
 266     if (cl_error != CL_SUCCESS)
 267     {
 268         GMX_THROW(InternalError("Could not create OpenCL program to determine warp size, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 269     }
 270
 271     cl_error = clBuildProgram(program, 0, NULL, NULL, NULL, NULL);
 272     if (cl_error != CL_SUCCESS)
 273     {
 274         GMX_THROW(InternalError("Could not build OpenCL program to determine warp size, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 275     }
 276
 277     cl_kernel kernel = clCreateKernel(program, "test", &cl_error);
 278     if (cl_error != CL_SUCCESS)
 279     {
 280         GMX_THROW(InternalError("Could not create OpenCL kernel to determine warp size, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 281     }
 282
 283     size_t warpSize = 0;
 284     cl_error = clGetKernelWorkGroupInfo(kernel, deviceId, CL_KERNEL_PREFERRED_WORK_GROUP_SIZE_MULTIPLE,
 285                                         sizeof(warpSize), &warpSize, NULL);
 286     if (cl_error != CL_SUCCESS)
 287     {
 288         GMX_THROW(InternalError("Could not measure OpenCL warp size, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 289     }
 290     if (warpSize == 0)
 291     {
 292         GMX_THROW(InternalError(formatString("Did not measure a valid OpenCL warp size")));
 293     }
 294
 295     cl_error = clReleaseKernel(kernel);
 296     if (cl_error != CL_SUCCESS)
 297     {
 298         GMX_THROW(InternalError("Could not release OpenCL warp-size kernel, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 299     }
 300     cl_error = clReleaseProgram(program);
 301     if (cl_error != CL_SUCCESS)
 302     {
 303         GMX_THROW(InternalError("Could not release OpenCL warp-size program, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 304     }
 305
 306     return warpSize;
 307 }
 308
 309 /*! \brief Select a compilation-line define for a vendor-specific kernel choice from vendor id
 310  *
 311  * \param[in] vendorId Vendor id enumerator
 312  *
 313  * \return The appropriate compilation-line define
 314  */
 315 static const char *
 316 makeVendorFlavorChoice(ocl_vendor_id_t vendorId)
 317 {
 318     const char *choice;
 319     switch (vendorId)
 320     {
 321         case OCL_VENDOR_AMD:
 322             choice = "-D_AMD_SOURCE_";
 323             break;
 324         case OCL_VENDOR_NVIDIA:
 325             choice = "-D_NVIDIA_SOURCE_";
 326             break;
 327         default:
 328             choice = "-D_WARPLESS_SOURCE_";
 329             break;
 330     }
 331     return choice;
 332 }
 333
 334 /*! \brief Create include paths for kernel sources.
 335  *
 336  * All OpenCL kernel files are expected to be stored in one single folder.
 337  *
 338  * \throws std::bad_alloc  if out of memory.
 339  */
 340 static std::string makeKernelIncludePathOption(const std::string &unescapedKernelRootPath)
 341 {
 342     std::string includePathOption;
 343
 344     /* Apple does not seem to accept the quoted include paths other
 345      * OpenCL implementations are happy with. Since the standard still says
 346      * it should be quoted, we handle Apple as a special case.
 347      */
 348 #ifdef __APPLE__
 349     includePathOption += "-I";
 350
 351     // Prepend all the spaces with a backslash
 352     for (std::string::size_type i = 0; i < unescapedKernelRootPath.length(); i++)
 353     {
 354         if (unescapedKernelRootPath[i] == ' ')
 355         {
 356             includePathOption.push_back('\\');
 357         }
 358         includePathOption.push_back(unescapedKernelRootPath[i]);
 359     }
 360 #else
 361     includePathOption += "-I\"" + unescapedKernelRootPath + "\"";
 362 #endif
 363
 364     return includePathOption;
 365 }
 366
 367 /*! \brief Replace duplicated spaces with a single one in string
 368  *
 369  * Only the first character will be kept for multiple adjacent characters that
 370  * are both identical and where the first one returns true for isspace().
 371  *
 372  * \param str String that will be modified.
 373  */
 374 static void
 375 removeExtraSpaces(std::string *str)
 376 {
 377     GMX_RELEASE_ASSERT(str != nullptr, "A pointer to an actual string must be provided");
 378     std::string::iterator newEnd =
 379         std::unique( str->begin(), str->end(), [ = ](char a, char b){ return isspace(a) && (a == b); } );
 380     str->erase(newEnd, str->end());
 381 }
 382
 383 /*! \brief Builds a string with build options for the OpenCL kernels
 384  *
 385  * \throws std::bad_alloc  if out of memory. */
 386 static std::string
 387 makePreprocessorOptions(const std::string   &kernelRootPath,
 388                         size_t               warpSize,
 389                         ocl_vendor_id_t      deviceVendorId,
 390                         const std::string   &extraDefines)
 391 {
 392     std::string preprocessorOptions;
 393
 394     /* Compose the complete build options */
 395     preprocessorOptions  = formatString("-DWARP_SIZE_TEST=%d", static_cast<int>(warpSize));
 396     preprocessorOptions += ' ';
 397     preprocessorOptions += makeVendorFlavorChoice(deviceVendorId);
 398     preprocessorOptions += ' ';
 399     preprocessorOptions += extraDefines;
 400     preprocessorOptions += ' ';
 401     preprocessorOptions += selectCompilerOptions(deviceVendorId);
 402     preprocessorOptions += ' ';
 403     preprocessorOptions += makeKernelIncludePathOption(kernelRootPath);
 404
 405     // Mac OS (and maybe some other implementations) does not accept double spaces in options
 406     removeExtraSpaces(&preprocessorOptions);
 407
 408     return preprocessorOptions;
 409 }
 410
 411 cl_program
 412 compileProgram(FILE              *fplog,
 413                const std::string &kernelBaseFilename,
 414                const std::string &extraDefines,
 415                cl_context         context,
 416                cl_device_id       deviceId,
 417                ocl_vendor_id_t    deviceVendorId)
 418 {
 419     cl_int      cl_error;
 420     std::string kernelRootPath = getKernelRootPath();
 421
 422     GMX_RELEASE_ASSERT(fplog != nullptr, "Need a valid log file for building OpenCL programs");
 423
 424     /* Load OpenCL source files */
 425     std::string kernelFilename = Path::join(kernelRootPath,
 426                                             kernelBaseFilename);
 427
 428     /* Make the build options */
 429     std::string preprocessorOptions = makePreprocessorOptions(kernelRootPath,
 430                                                               getWarpSize(context, deviceId),
 431                                                               deviceVendorId,
 432                                                               extraDefines);
 433
 434     bool        buildCacheWasRead = false;
 435
 436     std::string cacheFilename;
 437     if (useBuildCache)
 438     {
 439         cacheFilename = makeBinaryCacheFilename(kernelBaseFilename, deviceId);
 440     }
 441
 442     /* Create OpenCL program */
 443     cl_program program = nullptr;
 444     if (useBuildCache)
 445     {
 446         if (File::exists(cacheFilename, File::returnFalseOnError))
 447         {
 448             /* Check if there's a valid cache available */
 449             try
 450             {
 451                 program           = makeProgramFromCache(cacheFilename, context, deviceId);
 452                 buildCacheWasRead = true;
 453             }
 454             catch (FileIOError &e)
 455             {
 456                 // Failing to read from the cache is not a critical error
 457                 formatExceptionMessageToFile(fplog, e);
 458             }
 459         }
 460         else
 461         {
 462             fprintf(fplog, "No OpenCL binary cache file was present, so will compile kernels normally.\n");
 463         }
 464     }
 465     if (program == nullptr)
 466     {
 467         // Compile OpenCL program from source
 468         std::string kernelSource = TextReader::readFileToString(kernelFilename);
 469         if (kernelSource.empty())
 470         {
 471             GMX_THROW(FileIOError("Error loading OpenCL code " + kernelFilename));
 472         }
 473         const char *kernelSourcePtr  = kernelSource.c_str();
 474         size_t      kernelSourceSize = kernelSource.size();
 475         /* Create program from source code */
 476         program = clCreateProgramWithSource(context,
 477                                             1,
 478                                             &kernelSourcePtr,
 479                                             &kernelSourceSize,
 480                                             &cl_error);
 481         if (cl_error != CL_SUCCESS)
 482         {
 483             GMX_THROW(InternalError("Could not create OpenCL program, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 484         }
 485     }
 486
 487     /* Build the OpenCL program, keeping the status to potentially
 488        write to the simulation log file. */
 489     cl_int buildStatus = clBuildProgram(program, 0, NULL, preprocessorOptions.c_str(), NULL, NULL);
 490
 491     /* Write log first, and then throw exception that the user know what is
 492        the issue even if the build fails. */
 493     writeOclBuildLog(fplog,
 494                      program,
 495                      deviceId,
 496                      kernelFilename,
 497                      preprocessorOptions,
 498                      buildStatus != CL_SUCCESS);
 499
 500     if (buildStatus != CL_SUCCESS)
 501     {
 502         GMX_THROW(InternalError("Could not build OpenCL program, error was " + ocl_get_error_string(buildStatus)));
 503     }
 504
 505     if (useBuildCache)
 506     {
 507         if (!buildCacheWasRead)
 508         {
 509             /* If OpenCL caching is ON, but the current cache is not
 510                valid => update it */
 511             try
 512             {
 513                 writeBinaryToCache(program, cacheFilename);
 514             }
 515             catch (GromacsException &e)
 516             {
 517                 // Failing to write the cache is not a critical error
 518                 formatExceptionMessageToFile(fplog, e);
 519             }
 520         }
 521     }
 522     if ((OCL_VENDOR_NVIDIA == deviceVendorId) && getenv("GMX_OCL_DUMP_INTERM_FILES"))
 523     {
 524         /* If dumping intermediate files has been requested and this is an NVIDIA card
 525            => write PTX to file */
 526         char buffer[STRLEN];
 527
 528         cl_error = clGetDeviceInfo(deviceId, CL_DEVICE_NAME, sizeof(buffer), buffer, NULL);
 529         if (cl_error != CL_SUCCESS)
 530         {
 531             GMX_THROW(InternalError("Could not get OpenCL device info, error was " + ocl_get_error_string(cl_error)));
 532         }
 533         std::string ptxFilename = buffer;
 534         ptxFilename += ".ptx";
 535
 536         try
 537         {
 538             writeBinaryToCache(program, ptxFilename);
 539         }
 540         catch (GromacsException &e)
 541         {
 542             // Failing to write the cache is not a critical error
 543             formatExceptionMessageToFile(fplog, e);
 544         }
 545     }
 546
 547     return program;
 548 }
 549
 550 } // namespace
 551 } // namespace