src/gromacs/mdlib/leapfrog_gpu.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019,2020,2021, 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 /*! \libinternal \file
  36  *
  37  * \brief Declarations for GPU implementation of Leap-Frog.
  38  *
  39  * \author Artem Zhmurov <zhmurov@gmail.com>
  40  *
  41  * \ingroup module_mdlib
  42  * \inlibraryapi
  43  */
  44 #ifndef GMX_MDLIB_LEAPFROG_GPU_H
  45 #define GMX_MDLIB_LEAPFROG_GPU_H
  46
  47 #include "config.h"
  48
  49 #if GMX_GPU_CUDA
  50 #    include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer.cuh"
  51 #    include "gromacs/gpu_utils/gputraits.cuh"
  52 #endif
  53 #if GMX_GPU_SYCL
  54 #    include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer_sycl.h"
  55 #    include "gromacs/gpu_utils/gputraits_sycl.h"
  56 using float3 = Float3;
  57 #endif
  58
  59 #include <memory>
  60
  61 #include "gromacs/gpu_utils/hostallocator.h"
  62 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  63 #include "gromacs/pbcutil/pbc_aiuc.h"
  64 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
  65
  66 class DeviceContext;
  67 class DeviceStream;
  68 struct t_grp_tcstat;
  69
  70 namespace gmx
  71 {
  72
  73
  74 /*! \brief Sets the number of different temperature coupling values
  75  *
  76  *  This is needed to template the kernel
  77  *  \todo Unify with similar enum in CPU update module
  78  */
  79 enum class NumTempScaleValues
  80 {
  81     None     = 0, //!< No temperature coupling
  82     Single   = 1, //!< Single T-scaling value (one group)
  83     Multiple = 2, //!< Multiple T-scaling values, need to use T-group indices
  84     Count    = 3  //!< Number of valid values
  85 };
  86
  87 /*! \brief Different variants of the Parrinello-Rahman velocity scaling
  88  *
  89  *  This is needed to template the kernel
  90  *  \todo Unify with similar enum in CPU update module
  91  */
  92 enum class VelocityScalingType
  93 {
  94     None     = 0, //!< Do not apply velocity scaling (not a PR-coupling run or step)
  95     Diagonal = 1, //!< Apply velocity scaling using a diagonal matrix
  96     Count    = 2  //!< Number of valid values
  97 };
  98
  99 class LeapFrogGpu
 100 {
 101
 102 public:
 103     /*! \brief Constructor.
 104      *
 105      * \param[in] deviceContext       Device context (dummy in CUDA).
 106      * \param[in] deviceStream        Device stream to use.
 107      * \param[in] numTempScaleValues  Number of temperature scale groups.
 108      */
 109     LeapFrogGpu(const DeviceContext& deviceContext, const DeviceStream& deviceStream, int numTempScaleValues);
 110     ~LeapFrogGpu();
 111
 112     /*! \brief Integrate
 113      *
 114      * Integrates the equation of motion using Leap-Frog algorithm.
 115      * Updates coordinates and velocities on the GPU. The current coordinates are saved for constraints.
 116      *
 117      * \param[in,out] d_x                      Coordinates to update
 118      * \param[out]    d_xp                     Place to save the values of initial coordinates coordinates to.
 119      * \param[in,out] d_v                      Velocities (will be updated).
 120      * \param[in]     d_f                      Forces.
 121      * \param[in]     dt                       Timestep.
 122      * \param[in]     doTemperatureScaling     If velocities should be scaled for temperature coupling.
 123      * \param[in]     tcstat                   Temperature coupling data.
 124      * \param[in]     doParrinelloRahman       If current step is a Parrinello-Rahman pressure coupling step.
 125      * \param[in]     dtPressureCouple         Period between pressure coupling steps
 126      * \param[in]     prVelocityScalingMatrix  Parrinello-Rahman velocity scaling matrix
 127      */
 128     void integrate(const DeviceBuffer<float3>        d_x,
 129                    DeviceBuffer<float3>              d_xp,
 130                    DeviceBuffer<float3>              d_v,
 131                    const DeviceBuffer<float3>        d_f,
 132                    const real                        dt,
 133                    const bool                        doTemperatureScaling,
 134                    gmx::ArrayRef<const t_grp_tcstat> tcstat,
 135                    const bool                        doParrinelloRahman,
 136                    const float                       dtPressureCouple,
 137                    const matrix                      prVelocityScalingMatrix);
 138
 139     /*! \brief Set the integrator
 140      *
 141      * Allocates memory for inverse masses, and, if needed for temperature scaling factor(s)
 142      * and temperature coupling groups. Copies inverse masses and temperature coupling groups
 143      * to the GPU.
 144      *
 145      * \param[in] numAtoms        Number of atoms in the system.
 146      * \param[in] inverseMasses   Inverse masses of atoms.
 147      * \param[in] tempScaleGroups Maps the atom index to temperature scale value.
 148      */
 149     void set(const int numAtoms, const real* inverseMasses, const unsigned short* tempScaleGroups);
 150
 151     /*! \brief Class with hardware-specific interfaces and implementations.*/
 152     class Impl;
 153
 154 private:
 155     //! GPU context object
 156     const DeviceContext& deviceContext_;
 157     //! GPU stream
 158     const DeviceStream& deviceStream_;
 159     //! GPU kernel launch config
 160     KernelLaunchConfig kernelLaunchConfig_;
 161     //! Number of atoms
 162     int numAtoms_;
 163
 164     //! 1/mass for all atoms (GPU)
 165     DeviceBuffer<float> d_inverseMasses_;
 166     //! Current size of the reciprocal masses array
 167     int numInverseMasses_ = -1;
 168     //! Maximum size of the reciprocal masses array
 169     int numInverseMassesAlloc_ = -1;
 170
 171     //! Number of temperature coupling groups (zero = no coupling)
 172     int numTempScaleValues_ = 0;
 173     /*! \brief Array with temperature scaling factors.
 174      * This is temporary solution to remap data from t_grp_tcstat into plain array.
 175      * Not used in SYCL.
 176      * \todo Replace with better solution.
 177      */
 178     gmx::HostVector<float> h_lambdas_;
 179     //! Device-side temperature scaling factors
 180     DeviceBuffer<float> d_lambdas_;
 181     //! Current size of the array with temperature scaling factors (lambdas)
 182     int numLambdas_ = -1;
 183     //! Maximum size of the array with temperature scaling factors (lambdas)
 184     int numLambdasAlloc_ = -1;
 185
 186
 187     //! Array that maps atom index onto the temperature scaling group to get scaling parameter
 188     DeviceBuffer<unsigned short> d_tempScaleGroups_;
 189     //! Current size of the temperature coupling groups array
 190     int numTempScaleGroups_ = -1;
 191     //! Maximum size of the temperature coupling groups array
 192     int numTempScaleGroupsAlloc_ = -1;
 193
 194     //! Vector with diagonal elements of the Parrinello-Rahman pressure coupling velocity rescale factors
 195     float3 prVelocityScalingMatrixDiagonal_;
 196 };
 197
 198 } // namespace gmx
 199
 200 #endif