src/gromacs/mdlib/perf_est.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2012,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  38 #include <config.h>
  39 #endif
  40
  41 #include <math.h>
  42
  43 #include "perf_est.h"
  44 #include "physics.h"
  45 #include "vec.h"
  46 #include "mtop_util.h"
  47 #include "types/commrec.h"
  48 #include "nbnxn_search.h"
  49 #include "nbnxn_consts.h"
  50
  51
  52 /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
  53  * This will be machine dependent.
  54  * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
  55  * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
  56  * although not so much that the numbers need to be adjusted.
  57  */
  58
  59 /* Cost of a pair interaction in the "group" cut-off scheme */
  60 #define C_GR_FQ        1.5
  61 #define C_GR_QLJ_CUT   1.5
  62 #define C_GR_QLJ_TAB   2.0
  63 #define C_GR_LJ_CUT    1.0
  64 #define C_GR_LJ_TAB    1.75
  65 /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
  66 #define C_GR_QLJW_CUT  2.0
  67 #define C_GR_QLJW_TAB  2.25
  68 /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
  69 #define C_GR_QW        1.75
  70
  71 /* Cost of a pair interaction in the "Verlet" cut-off scheme, QEXP is Ewald */
  72 #define C_VT_LJ        0.30
  73 #define C_VT_QRF_LJ    0.40
  74 #define C_VT_QRF       0.30
  75 #define C_VT_QEXP_LJ   0.55
  76 #define C_VT_QEXP      0.50
  77 /* Extra cost for expensive LJ interaction, e.g. pot-switch or LJ-PME */
  78 #define C_VT_LJEXP_ADD 0.20
  79
  80 /* Cost of PME, with all components running with SSE instructions */
  81 /* Cost of particle reordering and redistribution */
  82 #define C_PME_REDIST  12.0
  83 /* Cost of q spreading and force interpolation per charge (mainly memory) */
  84 #define C_PME_SPREAD  0.30
  85 /* Cost of fft's, will be multiplied with N log(N) */
  86 #define C_PME_FFT     0.20
  87 /* Cost of pme_solve, will be multiplied with N */
  88 #define C_PME_SOLVE   0.50
  89
  90 /* Cost of a bonded interaction divided by the number of (pbc_)dx nrequired */
  91 #define C_BOND        5.0
  92
  93 int n_bonded_dx(gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bExcl)
  94 {
  95     int            mb, nmol, ftype, ndxb, ndx_excl;
  96     int            ndx;
  97     gmx_moltype_t *molt;
  98
  99     /* Count the number of pbc_rvec_sub calls required for bonded interactions.
 100      * This number is also roughly proportional to the computational cost.
 101      */
 102     ndx      = 0;
 103     ndx_excl = 0;
 104 #if __ICC == 1400 || __ICL == 1400
 105 #pragma novector /* Work-around for incorrect vectorization */
 106 #endif
 107     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 108     {
 109         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 110         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 111         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 112         {
 113             if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND)
 114             {
 115                 switch (ftype)
 116                 {
 117                     case F_POSRES:
 118                     case F_FBPOSRES:  ndxb = 1; break;
 119                     case F_CONNBONDS: ndxb = 0; break;
 120                     default:     ndxb      = NRAL(ftype) - 1; break;
 121                 }
 122                 ndx += nmol*ndxb*molt->ilist[ftype].nr/(1 + NRAL(ftype));
 123             }
 124         }
 125         if (bExcl)
 126         {
 127             ndx_excl += nmol*(molt->excls.nra - molt->atoms.nr)/2;
 128         }
 129         else
 130         {
 131             ndx_excl = 0;
 132         }
 133     }
 134
 135     if (debug)
 136     {
 137         fprintf(debug, "ndx bonded %d exclusions %d\n", ndx, ndx_excl);
 138     }
 139
 140     ndx += ndx_excl;
 141
 142     return ndx;
 143 }
 144
 145 static void pp_group_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 146                           int *nq_tot, int *nlj_tot,
 147                           double *cost_pp,
 148                           gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 149 {
 150     t_atom        *atom;
 151     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, ncqlj, ncq, nclj;
 152     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bWater, bQ, bLJ;
 153     int            nw, nqlj, nq, nlj;
 154     float          fq, fqlj, flj, fljtab, fqljw, fqw;
 155     t_iparams     *iparams;
 156     gmx_moltype_t *molt;
 157
 158     bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
 159
 160     bLJcut = ((ir->vdwtype == evdwCUT) && !bBHAM);
 161
 162     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 163      * This will be machine dependent.
 164      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 165      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 166      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 167      */
 168     fq    = C_GR_FQ;
 169     fqlj  = (bLJcut ? C_GR_QLJ_CUT : C_GR_QLJ_TAB);
 170     flj   = (bLJcut ? C_GR_LJ_CUT  : C_GR_LJ_TAB);
 171     /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
 172     fqljw = (bLJcut ? C_GR_QLJW_CUT : C_GR_QLJW_TAB);
 173     /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
 174     fqw   = C_GR_QW;
 175
 176     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 177     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 178     nw                = 0;
 179     nqlj              = 0;
 180     nq                = 0;
 181     nlj               = 0;
 182     *bChargePerturbed = FALSE;
 183     *bTypePerturbed   = FALSE;
 184     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 185     {
 186         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 187         atom = molt->atoms.atom;
 188         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 189         a    = 0;
 190         for (cg = 0; cg < molt->cgs.nr; cg++)
 191         {
 192             bWater = !bBHAM;
 193             ncqlj  = 0;
 194             ncq    = 0;
 195             nclj   = 0;
 196             a0     = a;
 197             while (a < molt->cgs.index[cg+1])
 198             {
 199                 bQ  = (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0);
 200                 bLJ = (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 201                        iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0);
 202                 if (atom[a].q != atom[a].qB)
 203                 {
 204                     *bChargePerturbed = TRUE;
 205                 }
 206                 if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 207                 {
 208                     *bTypePerturbed = TRUE;
 209                 }
 210                 /* This if this atom fits into water optimization */
 211                 if (!((a == a0   &&  bQ &&  bLJ) ||
 212                       (a == a0+1 &&  bQ && !bLJ) ||
 213                       (a == a0+2 &&  bQ && !bLJ && atom[a].q == atom[a-1].q) ||
 214                       (a == a0+3 && !bQ &&  bLJ)))
 215                 {
 216                     bWater = FALSE;
 217                 }
 218                 if (bQ && bLJ)
 219                 {
 220                     ncqlj++;
 221                 }
 222                 else
 223                 {
 224                     if (bQ)
 225                     {
 226                         ncq++;
 227                     }
 228                     if (bLJ)
 229                     {
 230                         nclj++;
 231                     }
 232                 }
 233                 a++;
 234             }
 235             if (bWater)
 236             {
 237                 nw   += nmol;
 238             }
 239             else
 240             {
 241                 nqlj += nmol*ncqlj;
 242                 nq   += nmol*ncq;
 243                 nlj  += nmol*nclj;
 244             }
 245         }
 246     }
 247
 248     *nq_tot  = nq  + nqlj + nw*3;
 249     *nlj_tot = nlj + nqlj + nw;
 250
 251     if (debug)
 252     {
 253         fprintf(debug, "nw %d nqlj %d nq %d nlj %d\n", nw, nqlj, nq, nlj);
 254     }
 255
 256     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 257      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 258      * Factor 3 is used because a water molecule has 3 atoms
 259      * (and TIP4P effectively has 3 interactions with (water) atoms)).
 260      */
 261     *cost_pp = 0.5*(fqljw*nw*nqlj +
 262                     fqw  *nw*(3*nw + nq) +
 263                     fqlj *nqlj*nqlj +
 264                     fq   *nq*(3*nw + nqlj + nq) +
 265                     flj  *nlj*(nw + nqlj + nlj))
 266         *4/3*M_PI*ir->rlist*ir->rlist*ir->rlist/det(box);
 267 }
 268
 269 static void pp_verlet_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 270                            int *nq_tot, int *nlj_tot,
 271                            double *cost_pp,
 272                            gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 273 {
 274     t_atom        *atom;
 275     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nqlj, nq, nlj;
 276     gmx_bool       bQRF;
 277     t_iparams     *iparams;
 278     gmx_moltype_t *molt;
 279     real           r_eff;
 280     double         c_qlj, c_q, c_lj;
 281     double         nat;
 282     /* Conversion factor for reference vs SIMD kernel performance.
 283      * The factor is about right for SSE2/4, but should be 2 higher for AVX256.
 284      */
 285 #ifdef GMX_DOUBLE
 286     const real     nbnxn_refkernel_fac = 4.0;
 287 #else
 288     const real     nbnxn_refkernel_fac = 8.0;
 289 #endif
 290
 291     bQRF = (EEL_RF(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelCUT);
 292
 293     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 294     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 295     nqlj              = 0;
 296     nq                = 0;
 297     *bChargePerturbed = FALSE;
 298     *bTypePerturbed   = FALSE;
 299     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 300     {
 301         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 302         atom = molt->atoms.atom;
 303         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 304         a    = 0;
 305         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
 306         {
 307             if (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0)
 308             {
 309                 if (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 310                     iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0)
 311                 {
 312                     nqlj += nmol;
 313                 }
 314                 else
 315                 {
 316                     nq += nmol;
 317                 }
 318             }
 319             if (atom[a].q != atom[a].qB)
 320             {
 321                 *bChargePerturbed = TRUE;
 322             }
 323             if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 324             {
 325                 *bTypePerturbed = TRUE;
 326             }
 327         }
 328     }
 329
 330     nlj = mtop->natoms - nqlj - nq;
 331
 332     *nq_tot  = nqlj + nq;
 333     *nlj_tot = nqlj + nlj;
 334
 335     /* Effective cut-off for cluster pair list of 4x4 atoms */
 336     r_eff = ir->rlist + nbnxn_get_rlist_effective_inc(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, mtop->natoms/det(box));
 337
 338     if (debug)
 339     {
 340         fprintf(debug, "nqlj %d nq %d nlj %d rlist %.3f r_eff %.3f\n",
 341                 nqlj, nq, nlj, ir->rlist, r_eff);
 342     }
 343
 344     /* Determine the cost per pair interaction */
 345     c_qlj = (bQRF ? C_VT_QRF_LJ : C_VT_QEXP_LJ);
 346     c_q   = (bQRF ? C_VT_QRF    : C_VT_QEXP);
 347     c_lj  = C_VT_LJ;
 348     if (ir->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || EVDW_PME(ir->vdwtype))
 349     {
 350         c_qlj += C_VT_LJEXP_ADD;
 351         c_lj  += C_VT_LJEXP_ADD;
 352     }
 353     if (EVDW_PME(ir->vdwtype) && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 354     {
 355         /* We don't have LJ-PME LB comb. rule kernels, we use slow kernels */
 356         c_qlj *= nbnxn_refkernel_fac;
 357         c_q   *= nbnxn_refkernel_fac;
 358         c_lj  *= nbnxn_refkernel_fac;
 359     }
 360
 361     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 362      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 363      */
 364     /* Convert mtop->natoms to double to avoid int overflow */
 365     nat      = mtop->natoms;
 366     *cost_pp = 0.5*nat*(nqlj*c_qlj + nq*c_q + nlj*c_lj)
 367         *4/3*M_PI*r_eff*r_eff*r_eff/det(box);
 368 }
 369
 370 float pme_load_estimate(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box)
 371 {
 372     t_atom        *atom;
 373     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nq_tot, nlj_tot, f;
 374     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bChargePerturbed, bTypePerturbed;
 375     gmx_bool       bWater, bQ, bLJ;
 376     double         cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve, cost_pme;
 377     float          ratio;
 378     t_iparams     *iparams;
 379     gmx_moltype_t *molt;
 380
 381     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 382      * This will be machine dependent.
 383      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 384      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 385      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 386      */
 387
 388     iparams = mtop->ffparams.iparams;
 389     atnr    = mtop->ffparams.atnr;
 390
 391     cost_bond = C_BOND*n_bonded_dx(mtop, TRUE);
 392
 393     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
 394     {
 395         pp_group_load(mtop, ir, box,
 396                       &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 397                       &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 398     }
 399     else
 400     {
 401         pp_verlet_load(mtop, ir, box,
 402                        &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 403                        &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 404     }
 405
 406     cost_redist = 0;
 407     cost_spread = 0;
 408     cost_fft    = 0;
 409     cost_solve  = 0;
 410
 411     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
 412     {
 413         f            = ((ir->efep != efepNO && bChargePerturbed) ? 2 : 1);
 414         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nq_tot;
 415         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nq_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 416         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 417         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 418     }
 419
 420     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 421     {
 422         f            = ((ir->efep != efepNO && bTypePerturbed) ? 2 : 1);
 423         if (ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 424         {
 425             /* LB combination rule: we have 7 mesh terms */
 426             f       *= 7;
 427         }
 428         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nlj_tot;
 429         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nlj_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 430         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 431         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 432     }
 433
 434     cost_pme = cost_redist + cost_spread + cost_fft + cost_solve;
 435
 436     ratio = cost_pme/(cost_bond + cost_pp + cost_pme);
 437
 438     if (debug)
 439     {
 440         fprintf(debug,
 441                 "cost_bond   %f\n"
 442                 "cost_pp     %f\n"
 443                 "cost_redist %f\n"
 444                 "cost_spread %f\n"
 445                 "cost_fft    %f\n"
 446                 "cost_solve  %f\n",
 447                 cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve);
 448
 449         fprintf(debug, "Estimate for relative PME load: %.3f\n", ratio);
 450     }
 451
 452     return ratio;
 453 }