c24a8b2a4cec6c4d0f9c761d97d368c952981e01
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / hardware / detecthardware.cpp
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, 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 #include "gmxpre.h"
36
37 #include "detecthardware.h"
38
39 #include "config.h"
40
41 #include <algorithm>
42 #include <array>
43 #include <chrono>
44 #include <memory>
45 #include <string>
46 #include <thread>
47 #include <vector>
48
49 #include "gromacs/compat/pointers.h"
50 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
51 #include "gromacs/hardware/cpuinfo.h"
52 #include "gromacs/hardware/hardwaretopology.h"
53 #include "gromacs/hardware/hw_info.h"
54 #include "gromacs/simd/support.h"
55 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
56 #include "gromacs/utility/basenetwork.h"
57 #include "gromacs/utility/baseversion.h"
58 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
59 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
60 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
61 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
62 #include "gromacs/utility/logger.h"
63 #include "gromacs/utility/mutex.h"
64 #include "gromacs/utility/physicalnodecommunicator.h"
65
66 #include "architecture.h"
67
68 #ifdef HAVE_UNISTD_H
69 #    include <unistd.h> // sysconf()
70 #endif
71
72 gmx_hw_info_t::gmx_hw_info_t(std::unique_ptr<gmx::CpuInfo>          cpuInfo,
73                              std::unique_ptr<gmx::HardwareTopology> hardwareTopology) :
74     cpuInfo(std::move(cpuInfo)),
75     hardwareTopology(std::move(hardwareTopology))
76 {
77 }
78
79 gmx_hw_info_t::~gmx_hw_info_t()
80 {
81     free_gpu_info(&gpu_info);
82 }
83
84 namespace gmx
85 {
86
87 //! Convenience macro to help us avoid ifdefs each time we use sysconf
88 #if !defined(_SC_NPROCESSORS_ONLN) && defined(_SC_NPROC_ONLN)
89 #    define _SC_NPROCESSORS_ONLN _SC_NPROC_ONLN
90 #endif
91
92 //! Convenience macro to help us avoid ifdefs each time we use sysconf
93 #if !defined(_SC_NPROCESSORS_CONF) && defined(_SC_NPROC_CONF)
94 #    define _SC_NPROCESSORS_CONF _SC_NPROC_CONF
95 #endif
96
97 /*! \brief Information about the hardware of all nodes (common to all threads in this process).
98  *
99  * This information is constructed only when required, but thereafter
100  * its lifetime is that of the whole process, potentially across
101  * multiple successive simulation parts. It's wise to ensure that only
102  * one thread can create the information, but thereafter they can all
103  * read it without e.g. needing a std::shared_ptr to ensure its
104  * lifetime exceeds that of the thread. */
105 static std::unique_ptr<gmx_hw_info_t> g_hardwareInfo;
106 //! A mutex to protect the hwinfo structure
107 static Mutex g_hardwareInfoMutex;
108
109 //! Detect GPUs, if that makes sense to attempt.
110 static void gmx_detect_gpus(const gmx::MDLogger&             mdlog,
111                             const PhysicalNodeCommunicator&  physicalNodeComm,
112                             compat::not_null<gmx_hw_info_t*> hardwareInfo)
113 {
114     hardwareInfo->gpu_info.bDetectGPUs = canPerformGpuDetection();
115
116     if (!hardwareInfo->gpu_info.bDetectGPUs)
117     {
118         return;
119     }
120
121     bool isMasterRankOfPhysicalNode = true;
122 #if GMX_LIB_MPI
123     isMasterRankOfPhysicalNode = (physicalNodeComm.rank_ == 0);
124 #else
125     // We choose to run the detection only once with thread-MPI and
126     // use a mutex to enforce it.
127     GMX_UNUSED_VALUE(physicalNodeComm);
128     isMasterRankOfPhysicalNode = true;
129 #endif
130
131     /* The OpenCL support requires us to run detection on all ranks.
132      * With CUDA we don't need to, and prefer to detect on one rank
133      * and send the information to the other ranks over MPI. */
134     bool allRanksMustDetectGpus = (GMX_GPU == GMX_GPU_OPENCL);
135     bool gpusCanBeDetected      = false;
136     if (isMasterRankOfPhysicalNode || allRanksMustDetectGpus)
137     {
138         std::string errorMessage;
139         gpusCanBeDetected = isGpuDetectionFunctional(&errorMessage);
140         if (!gpusCanBeDetected)
141         {
142             GMX_LOG(mdlog.info)
143                     .asParagraph()
144                     .appendTextFormatted(
145                             "NOTE: Detection of GPUs failed. The API reported:\n"
146                             "      %s\n"
147                             "      GROMACS cannot run tasks on a GPU.",
148                             errorMessage.c_str());
149         }
150     }
151
152     if (gpusCanBeDetected)
153     {
154         findGpus(&hardwareInfo->gpu_info);
155         // No need to tell the user anything at this point, they get a
156         // hardware report later.
157     }
158
159 #if GMX_LIB_MPI
160     if (!allRanksMustDetectGpus)
161     {
162         /* Broadcast the GPU info to the other ranks within this node */
163         MPI_Bcast(&hardwareInfo->gpu_info.n_dev, 1, MPI_INT, 0, physicalNodeComm.comm_);
164
165         if (hardwareInfo->gpu_info.n_dev > 0)
166         {
167             int dev_size;
168
169             dev_size = hardwareInfo->gpu_info.n_dev * sizeof_gpu_dev_info();
170
171             if (!isMasterRankOfPhysicalNode)
172             {
173                 hardwareInfo->gpu_info.gpu_dev = (struct gmx_device_info_t*)malloc(dev_size);
174             }
175             MPI_Bcast(hardwareInfo->gpu_info.gpu_dev, dev_size, MPI_BYTE, 0, physicalNodeComm.comm_);
176             MPI_Bcast(&hardwareInfo->gpu_info.n_dev_compatible, 1, MPI_INT, 0, physicalNodeComm.comm_);
177         }
178     }
179 #endif
180 }
181
182 //! Reduce the locally collected \p hardwareInfo over MPI ranks
183 static void gmx_collect_hardware_mpi(const gmx::CpuInfo&              cpuInfo,
184                                      const PhysicalNodeCommunicator&  physicalNodeComm,
185                                      compat::not_null<gmx_hw_info_t*> hardwareInfo)
186 {
187     const int ncore = hardwareInfo->hardwareTopology->numberOfCores();
188     /* Zen1 is assumed for:
189      * - family=23 with the below listed models;
190      * - Hygon as vendor.
191      */
192     const bool cpuIsAmdZen1 = ((cpuInfo.vendor() == CpuInfo::Vendor::Amd && cpuInfo.family() == 23
193                                 && (cpuInfo.model() == 1 || cpuInfo.model() == 17
194                                     || cpuInfo.model() == 8 || cpuInfo.model() == 24))
195                                || cpuInfo.vendor() == CpuInfo::Vendor::Hygon);
196 #if GMX_LIB_MPI
197     int nhwthread, ngpu, i;
198     int gpu_hash;
199
200     nhwthread = hardwareInfo->nthreads_hw_avail;
201     ngpu      = hardwareInfo->gpu_info.n_dev_compatible;
202     /* Create a unique hash of the GPU type(s) in this node */
203     gpu_hash = 0;
204     /* Here it might be better to only loop over the compatible GPU, but we
205      * don't have that information available and it would also require
206      * removing the device ID from the device info string.
207      */
208     for (i = 0; i < hardwareInfo->gpu_info.n_dev; i++)
209     {
210         char stmp[STRLEN];
211
212         /* Since the device ID is incorporated in the hash, the order of
213          * the GPUs affects the hash. Also two identical GPUs won't give
214          * a gpu_hash of zero after XORing.
215          */
216         get_gpu_device_info_string(stmp, hardwareInfo->gpu_info, i);
217         gpu_hash ^= gmx_string_fullhash_func(stmp, gmx_string_hash_init);
218     }
219
220     constexpr int                      numElementsCounts = 4;
221     std::array<int, numElementsCounts> countsReduced;
222     {
223         std::array<int, numElementsCounts> countsLocal = { { 0 } };
224         // Organize to sum values from only one rank within each node,
225         // so we get the sum over all nodes.
226         bool isMasterRankOfPhysicalNode = (physicalNodeComm.rank_ == 0);
227         if (isMasterRankOfPhysicalNode)
228         {
229             countsLocal[0] = 1;
230             countsLocal[1] = ncore;
231             countsLocal[2] = nhwthread;
232             countsLocal[3] = ngpu;
233         }
234
235         MPI_Allreduce(countsLocal.data(), countsReduced.data(), countsLocal.size(), MPI_INT,
236                       MPI_SUM, MPI_COMM_WORLD);
237     }
238
239     constexpr int                   numElementsMax = 11;
240     std::array<int, numElementsMax> maxMinReduced;
241     {
242         std::array<int, numElementsMax> maxMinLocal;
243         /* Store + and - values for all ranks,
244          * so we can get max+min with one MPI call.
245          */
246         maxMinLocal[0]  = ncore;
247         maxMinLocal[1]  = nhwthread;
248         maxMinLocal[2]  = ngpu;
249         maxMinLocal[3]  = static_cast<int>(gmx::simdSuggested(cpuInfo));
250         maxMinLocal[4]  = gpu_hash;
251         maxMinLocal[5]  = -maxMinLocal[0];
252         maxMinLocal[6]  = -maxMinLocal[1];
253         maxMinLocal[7]  = -maxMinLocal[2];
254         maxMinLocal[8]  = -maxMinLocal[3];
255         maxMinLocal[9]  = -maxMinLocal[4];
256         maxMinLocal[10] = (cpuIsAmdZen1 ? 1 : 0);
257
258         MPI_Allreduce(maxMinLocal.data(), maxMinReduced.data(), maxMinLocal.size(), MPI_INT,
259                       MPI_MAX, MPI_COMM_WORLD);
260     }
261
262     hardwareInfo->nphysicalnode       = countsReduced[0];
263     hardwareInfo->ncore_tot           = countsReduced[1];
264     hardwareInfo->ncore_min           = -maxMinReduced[5];
265     hardwareInfo->ncore_max           = maxMinReduced[0];
266     hardwareInfo->nhwthread_tot       = countsReduced[2];
267     hardwareInfo->nhwthread_min       = -maxMinReduced[6];
268     hardwareInfo->nhwthread_max       = maxMinReduced[1];
269     hardwareInfo->ngpu_compatible_tot = countsReduced[3];
270     hardwareInfo->ngpu_compatible_min = -maxMinReduced[7];
271     hardwareInfo->ngpu_compatible_max = maxMinReduced[2];
272     hardwareInfo->simd_suggest_min    = -maxMinReduced[8];
273     hardwareInfo->simd_suggest_max    = maxMinReduced[3];
274     hardwareInfo->bIdenticalGPUs      = (maxMinReduced[4] == -maxMinReduced[9]);
275     hardwareInfo->haveAmdZen1Cpu      = (maxMinReduced[10] > 0);
276 #else
277     /* All ranks use the same pointer, protected by a mutex in the caller */
278     hardwareInfo->nphysicalnode       = 1;
279     hardwareInfo->ncore_tot           = ncore;
280     hardwareInfo->ncore_min           = ncore;
281     hardwareInfo->ncore_max           = ncore;
282     hardwareInfo->nhwthread_tot       = hardwareInfo->nthreads_hw_avail;
283     hardwareInfo->nhwthread_min       = hardwareInfo->nthreads_hw_avail;
284     hardwareInfo->nhwthread_max       = hardwareInfo->nthreads_hw_avail;
285     hardwareInfo->ngpu_compatible_tot = hardwareInfo->gpu_info.n_dev_compatible;
286     hardwareInfo->ngpu_compatible_min = hardwareInfo->gpu_info.n_dev_compatible;
287     hardwareInfo->ngpu_compatible_max = hardwareInfo->gpu_info.n_dev_compatible;
288     hardwareInfo->simd_suggest_min    = static_cast<int>(simdSuggested(cpuInfo));
289     hardwareInfo->simd_suggest_max    = static_cast<int>(simdSuggested(cpuInfo));
290     hardwareInfo->bIdenticalGPUs      = TRUE;
291     hardwareInfo->haveAmdZen1Cpu      = cpuIsAmdZen1;
292     GMX_UNUSED_VALUE(physicalNodeComm);
293 #endif
294 }
295
296 /*! \brief Utility that does dummy computing for max 2 seconds to spin up cores
297  *
298  *  This routine will check the number of cores configured and online
299  *  (using sysconf), and the spins doing dummy compute operations for up to
300  *  2 seconds, or until all cores have come online. This can be used prior to
301  *  hardware detection for platforms that take unused processors offline.
302  *
303  *  This routine will not throw exceptions.
304  */
305 static void spinUpCore() noexcept
306 {
307 #if defined(HAVE_SYSCONF) && defined(_SC_NPROCESSORS_CONF) && defined(_SC_NPROCESSORS_ONLN)
308     float dummy           = 0.1;
309     int   countConfigured = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);    // noexcept
310     auto  start           = std::chrono::steady_clock::now(); // noexcept
311
312     while (sysconf(_SC_NPROCESSORS_ONLN) < countConfigured
313            && std::chrono::steady_clock::now() - start < std::chrono::seconds(2))
314     {
315         for (int i = 1; i < 10000; i++)
316         {
317             dummy /= i;
318         }
319     }
320
321     if (dummy < 0)
322     {
323         printf("This cannot happen, but prevents loop from being optimized away.");
324     }
325 #endif
326 }
327
328 /*! \brief Prepare the system before hardware topology detection
329  *
330  * This routine should perform any actions we want to put the system in a state
331  * where we want it to be before detecting the hardware topology. For most
332  * processors there is nothing to do, but some architectures (in particular ARM)
333  * have support for taking configured cores offline, which will make them disappear
334  * from the online processor count.
335  *
336  * This routine checks if there is a mismatch between the number of cores
337  * configured and online, and in that case we issue a small workload that
338  * attempts to wake sleeping cores before doing the actual detection.
339  *
340  * This type of mismatch can also occur for x86 or PowerPC on Linux, if SMT has only
341  * been disabled in the kernel (rather than bios). Since those cores will never
342  * come online automatically, we currently skip this test for x86 & PowerPC to
343  * avoid wasting 2 seconds. We also skip the test if there is no thread support.
344  *
345  * \note Cores will sleep relatively quickly again, so it's important to issue
346  *       the real detection code directly after this routine.
347  */
348 static void hardwareTopologyPrepareDetection()
349 {
350 #if defined(HAVE_SYSCONF) && defined(_SC_NPROCESSORS_CONF) \
351         && (defined(THREAD_PTHREADS) || defined(THREAD_WINDOWS))
352
353     // Modify this conditional when/if x86 or PowerPC starts to sleep some cores
354     if (c_architecture != Architecture::X86 && c_architecture != Architecture::PowerPC)
355     {
356         int                      countConfigured = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
357         std::vector<std::thread> workThreads(countConfigured);
358
359         for (auto& t : workThreads)
360         {
361             t = std::thread(spinUpCore);
362         }
363
364         for (auto& t : workThreads)
365         {
366             t.join();
367         }
368     }
369 #endif
370 }
371
372 /*! \brief Sanity check hardware topology and print some notes to log
373  *
374  *  \param mdlog            Logger.
375  *  \param hardwareTopology Reference to hardwareTopology object.
376  */
377 static void hardwareTopologyDoubleCheckDetection(const gmx::MDLogger gmx_unused& mdlog,
378                                                  const gmx::HardwareTopology gmx_unused& hardwareTopology)
379 {
380 #if defined HAVE_SYSCONF && defined(_SC_NPROCESSORS_CONF)
381     if (hardwareTopology.supportLevel() < gmx::HardwareTopology::SupportLevel::LogicalProcessorCount)
382     {
383         return;
384     }
385
386     int countFromDetection = hardwareTopology.machine().logicalProcessorCount;
387     int countConfigured    = sysconf(_SC_NPROCESSORS_CONF);
388
389     /* BIOS, kernel or user actions can take physical processors
390      * offline. We already cater for the some of the cases inside the hardwareToplogy
391      * by trying to spin up cores just before we detect, but there could be other
392      * cases where it is worthwhile to hint that there might be more resources available.
393      */
394     if (countConfigured >= 0 && countConfigured != countFromDetection)
395     {
396         GMX_LOG(mdlog.info)
397                 .appendTextFormatted(
398                         "Note: %d CPUs configured, but only %d were detected to be online.\n",
399                         countConfigured, countFromDetection);
400
401         if (c_architecture == Architecture::X86 && countConfigured == 2 * countFromDetection)
402         {
403             GMX_LOG(mdlog.info)
404                     .appendText(
405                             "      X86 Hyperthreading is likely disabled; enable it for better "
406                             "performance.");
407         }
408         // For PowerPC (likely Power8) it is possible to set SMT to either 2,4, or 8-way hardware threads.
409         // We only warn if it is completely disabled since default performance drops with SMT8.
410         if (c_architecture == Architecture::PowerPC && countConfigured == 8 * countFromDetection)
411         {
412             GMX_LOG(mdlog.info)
413                     .appendText(
414                             "      PowerPC SMT is likely disabled; enable SMT2/SMT4 for better "
415                             "performance.");
416         }
417     }
418 #endif
419 }
420
421 gmx_hw_info_t* gmx_detect_hardware(const gmx::MDLogger& mdlog, const PhysicalNodeCommunicator& physicalNodeComm)
422 {
423     // By construction, only one thread ever runs hardware detection,
424     // but we may as well prevent issues arising if that would change.
425     // Taking the lock early ensures that exactly one thread can
426     // attempt to construct g_hardwareInfo.
427     lock_guard<Mutex> lock(g_hardwareInfoMutex);
428
429     // If we already have the information, just return a handle to it.
430     if (g_hardwareInfo != nullptr)
431     {
432         return g_hardwareInfo.get();
433     }
434
435     // Make the new hardwareInfo in a temporary.
436     hardwareTopologyPrepareDetection();
437
438     // TODO: We should also do CPU hardware detection only once on each
439     // physical node and broadcast it, instead of doing it on every MPI rank.
440     auto hardwareInfo = std::make_unique<gmx_hw_info_t>(
441             std::make_unique<CpuInfo>(CpuInfo::detect()),
442             std::make_unique<HardwareTopology>(HardwareTopology::detect()));
443
444     // If we detected the topology on this system, double-check that it makes sense
445     if (hardwareInfo->hardwareTopology->isThisSystem())
446     {
447         hardwareTopologyDoubleCheckDetection(mdlog, *hardwareInfo->hardwareTopology);
448     }
449
450     // TODO: Get rid of this altogether.
451     hardwareInfo->nthreads_hw_avail = hardwareInfo->hardwareTopology->machine().logicalProcessorCount;
452
453     // Detect GPUs
454     hardwareInfo->gpu_info.n_dev            = 0;
455     hardwareInfo->gpu_info.n_dev_compatible = 0;
456     hardwareInfo->gpu_info.gpu_dev          = nullptr;
457
458     gmx_detect_gpus(mdlog, physicalNodeComm, compat::make_not_null(hardwareInfo));
459     gmx_collect_hardware_mpi(*hardwareInfo->cpuInfo, physicalNodeComm, compat::make_not_null(hardwareInfo));
460
461     // Now that the temporary is fully constructed, swap it to become
462     // the real thing.
463     g_hardwareInfo.swap(hardwareInfo);
464
465     return g_hardwareInfo.get();
466 }
467
468 bool compatibleGpusFound(const gmx_gpu_info_t& gpu_info)
469 {
470     return gpu_info.n_dev_compatible > 0;
471 }
472
473 } // namespace gmx