src/gromacs/mdlib/nbnxn_kernels/nbnxn_kernel_simd_utils_x86_mic.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2013, 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 #ifndef _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_mic_h_
  36 #define _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_mic_h_
  37
  38 typedef gmx_epi32      gmx_exclfilter;
  39 static const int filter_stride = GMX_SIMD_EPI32_WIDTH/GMX_SIMD_WIDTH_HERE;
  40
  41 #define nbfp_stride 2
  42
  43 #define PERM_LOW2HIGH _MM_PERM_BABA
  44 #define PERM_HIGH2LOW _MM_PERM_DCDC
  45
  46 #define mask_loh _mm512_int2mask(0x00FF) /* would be better a constant - but can't initialize with a function call. */
  47 #define mask_hih _mm512_int2mask(0xFF00)
  48
  49 /* float/double SIMD register type */
  50 typedef __m512 gmx_mm_pr4;
  51
  52 static gmx_inline gmx_mm_pr4
  53 gmx_load_pr4(const real *r)
  54 {
  55     return _mm512_loadunpacklo_ps(_mm512_undefined_ps(), r);
  56 }
  57
  58 static gmx_inline void
  59 gmx_store_pr4(real *dest, gmx_mm_pr4 src)
  60 {
  61     _mm512_mask_packstorelo_ps(dest, _mm512_int2mask(0xF), src);
  62 }
  63
  64 static gmx_inline gmx_mm_pr4
  65 gmx_add_pr4(gmx_mm_pr4 a, gmx_mm_pr4 b)
  66 {
  67     return _mm512_add_ps(a, b);
  68 }
  69
  70 /* Half-width SIMD real type */
  71 typedef __m512 gmx_mm_hpr; /* high half is ignored */
  72
  73 /* Half-width SIMD operations */
  74
  75 /* Load reals at half-width aligned pointer b into half-width SIMD register a */
  76 static gmx_inline void
  77 gmx_load_hpr(gmx_mm_hpr *a, const real *b)
  78 {
  79     *a = _mm512_loadunpacklo_ps(_mm512_undefined_ps(), b);
  80 }
  81
  82 /* Set all entries in half-width SIMD register *a to b */
  83 static gmx_inline void
  84 gmx_set1_hpr(gmx_mm_hpr *a, real b)
  85 {
  86     *a = _mm512_set1_ps(b);
  87 }
  88
  89 /* Load one real at b and one real at b+1 into halves of a, respectively */
  90 static gmx_inline void
  91 gmx_load1p1_pr(gmx_mm_ps *a, const real *b)
  92 {
  93
  94     *a = _mm512_mask_extload_ps(_mm512_extload_ps(b, _MM_UPCONV_PS_NONE, _MM_BROADCAST_1X16, _MM_HINT_NONE), mask_hih,
  95                                 b+1, _MM_UPCONV_PS_NONE, _MM_BROADCAST_1X16, _MM_HINT_NONE);
  96 }
  97
  98 /* Load reals at half-width aligned pointer b into two halves of a */
  99 static gmx_inline void
 100 gmx_loaddh_pr(gmx_mm_ps *a, const real *b)
 101 {
 102     *a = _mm512_permute4f128_ps(_mm512_loadunpacklo_ps(_mm512_undefined_ps(), b), PERM_LOW2HIGH);
 103 }
 104
 105 /* Store half-width SIMD register b into half width aligned memory a */
 106 static gmx_inline void
 107 gmx_store_hpr(real *a, gmx_mm_hpr b)
 108 {
 109     _mm512_mask_packstorelo_ps(a, mask_loh, b);
 110 }
 111
 112 #define gmx_add_hpr _mm512_add_ps
 113 #define gmx_sub_hpr _mm512_sub_ps
 114
 115 /* Sum over 4 half SIMD registers */
 116 static gmx_inline gmx_mm_hpr
 117 gmx_sum4_hpr(gmx_mm_ps a, gmx_mm_ps b)
 118 {
 119     a = _mm512_add_ps(a, b);
 120     b = _mm512_permute4f128_ps(a, PERM_HIGH2LOW);
 121     return _mm512_add_ps(a, b);
 122 }
 123
 124 /* Sum the elements of halfs of each input register and store sums in out */
 125 static gmx_inline gmx_mm_pr4
 126 gmx_mm_transpose_sum4h_pr(gmx_mm_ps a, gmx_mm_ps b)
 127 {
 128     return _mm512_setr4_ps(_mm512_mask_reduce_add_ps(mask_loh, a),
 129                            _mm512_mask_reduce_add_ps(mask_hih, a),
 130                            _mm512_mask_reduce_add_ps(mask_loh, b),
 131                            _mm512_mask_reduce_add_ps(mask_hih, b));
 132 }
 133
 134 static gmx_inline void
 135 gmx_pr_to_2hpr(gmx_mm_ps a, gmx_mm_hpr *b, gmx_mm_hpr *c)
 136 {
 137     *b = a;
 138     *c = _mm512_permute4f128_ps(a, PERM_HIGH2LOW);
 139 }
 140
 141 static gmx_inline void
 142 gmx_2hpr_to_pr(gmx_mm_hpr a, gmx_mm_hpr b, gmx_mm_ps *c)
 143 {
 144     *c = _mm512_mask_permute4f128_ps(a, mask_hih, b, PERM_LOW2HIGH);
 145 }
 146
 147 /* recombine the 2 high half into c */
 148 static gmx_inline void
 149 gmx_2hpr_high_to_pr(gmx_mm_hpr a, gmx_mm_hpr b, gmx_mm_ps *c)
 150 {
 151     *c = _mm512_mask_permute4f128_ps(b, mask_loh, a, PERM_HIGH2LOW);
 152 }
 153
 154 static gmx_inline void
 155 gmx_2hepi_to_epi(gmx_epi32 a, gmx_epi32 b, gmx_epi32 *c)
 156 {
 157     *c = _mm512_mask_permute4f128_epi32(a, mask_hih, b, PERM_LOW2HIGH);
 158 }
 159
 160 /* recombine the 2 high half into c */
 161 static gmx_inline void
 162 gmx_2hepi_high_to_epi(gmx_epi32 a, gmx_epi32 b, gmx_epi32 *c)
 163 {
 164     *c = _mm512_mask_permute4f128_epi32(b, mask_loh, a, PERM_HIGH2LOW);
 165 }
 166
 167 /* Align a stack-based thread-local working array. work-array (currently) not used by load_table_f*/
 168 static gmx_inline int *
 169 prepare_table_load_buffer(const int *array)
 170 {
 171     return NULL;
 172 }
 173
 174 /* Using TAB_FDV0 is slower (for non-analytical PME). For the _mm512_i32gather_ps it helps
 175    to have the 16 elements in fewer cache lines. This is why it is faster to do F&D toghether
 176    and low/high half after each other, then simply doing a gather for tab_coul_F and tab_coul_F+1.
 177    The ording of the 16 elements doesn't matter, so it doesn't help to get FD sorted as odd/even
 178    instead of low/high.
 179 */
 180 static gmx_inline void
 181 load_table_f(const real *tab_coul_F, gmx_epi32 ti_S, int *ti,
 182              gmx_mm_ps *ctab0_S, gmx_mm_ps *ctab1_S)
 183 {
 184     __m512i idx;
 185     __m512i ti1 = _mm512_add_epi32(ti_S, _mm512_set1_epi32(1)); /* incr by 1 for tab1 */
 186     gmx_2hepi_to_epi(ti_S, ti1, &idx);
 187     __m512  tmp1 = _mm512_i32gather_ps(idx, tab_coul_F, sizeof(float));
 188     gmx_2hepi_high_to_epi(ti_S, ti1, &idx);
 189     __m512  tmp2 = _mm512_i32gather_ps(idx, tab_coul_F, sizeof(float));
 190
 191     gmx_2hpr_to_pr(tmp1, tmp2, ctab0_S);
 192     gmx_2hpr_high_to_pr(tmp1, tmp2, ctab1_S);
 193     *ctab1_S  = gmx_sub_pr(*ctab1_S, *ctab0_S);
 194 }
 195
 196 static gmx_inline void
 197 load_table_f_v(const real *tab_coul_F, const real *tab_coul_V,
 198                gmx_epi32 ti_S, int *ti,
 199                gmx_mm_ps *ctab0_S, gmx_mm_ps *ctab1_S,
 200                gmx_mm_ps *ctabv_S)
 201 {
 202     load_table_f(tab_coul_F, ti_S, ti, ctab0_S, ctab1_S);
 203     *ctabv_S = _mm512_i32gather_ps(ti_S, tab_coul_V, sizeof(float));
 204 }
 205
 206 static gmx_inline gmx_mm_pr4
 207 gmx_mm_transpose_sum4_pr(gmx_mm_ps in0, gmx_mm_ps in1,
 208                          gmx_mm_ps in2, gmx_mm_ps in3)
 209 {
 210     return _mm512_setr4_ps(_mm512_reduce_add_ps(in0),
 211                            _mm512_reduce_add_ps(in1),
 212                            _mm512_reduce_add_ps(in2),
 213                            _mm512_reduce_add_ps(in3));
 214 }
 215
 216 /* TODO: Test. Untested by regressiontests (requires input with specific LJ rule, #1373) */
 217 /* Assumed the same optmization which helps for load_table_f is the fastest here too. */
 218 static gmx_inline void
 219 load_lj_pair_params2(const real *nbfp0, const real *nbfp1,
 220                      const int *type, int aj,
 221                      gmx_mm_ps *c6_S, gmx_mm_ps *c12_S)
 222 {
 223     __m512i idx0, idx1, idx;
 224
 225     /* load all 8 unaligned requires 2 load. */
 226     idx0 = _mm512_loadunpacklo_epi32(_mm512_undefined_epi32(), type+aj);
 227     idx0 = _mm512_loadunpackhi_epi32(idx0, type+aj+16);
 228
 229     idx1 = _mm512_add_epi32(idx0, _mm512_set1_epi32(1)); /* incr by 1 for c12 */
 230
 231     gmx_2hepi_to_epi(idx0, idx1, &idx);
 232     /* ICC requires nbfp_stride here to be preprocessor constant (not a "const int") */
 233     __m512 tmp1 = _mm512_i32gather_ps(idx, nbfp0, sizeof(float)*nbfp_stride);
 234
 235     gmx_2hepi_high_to_epi(idx0, idx1, &idx);
 236     __m512 tmp2 = _mm512_i32gather_ps(idx, nbfp1, sizeof(float)*nbfp_stride);
 237
 238     gmx_2hpr_to_pr(tmp1, tmp2, c6_S);
 239     gmx_2hpr_high_to_pr(tmp1, tmp2, c12_S);
 240 }
 241
 242 #define HAVE_GMX_SUM_SIMD
 243 static gmx_inline real
 244 gmx_sum_simd(gmx_mm_pr x, real* b)
 245 {
 246     return _mm512_reduce_add_ps(x);
 247 }
 248 static gmx_inline real
 249 gmx_sum_simd4(gmx_mm_pr x, real* b)
 250 {
 251     return _mm512_mask_reduce_add_ps(_mm512_int2mask(0xF), x);
 252 }
 253
 254 /* Code for handling loading exclusions and converting them into
 255    interactions. */
 256 #define gmx_load1_exclfilter _mm512_set1_epi32
 257 #define gmx_load_exclusion_filter _mm512_load_epi32
 258 #define gmx_checkbitmask_pb _mm512_test_epi32_mask
 259
 260 #endif /* _nbnxn_kernel_simd_utils_ref_h_ */