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, 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 "gromacs/math/vec.h"
  45 #include "mtop_util.h"
  46 #include "types/commrec.h"
  47 #include "nbnxn_search.h"
  48 #include "nbnxn_consts.h"
  49
  50
  51 /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
  52  * This will be machine dependent.
  53  * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
  54  * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
  55  * although not so much that the numbers need to be adjusted.
  56  */
  57
  58 /* Cost of a pair interaction in the "group" cut-off scheme */
  59 #define C_GR_FQ        1.5
  60 #define C_GR_QLJ_CUT   1.5
  61 #define C_GR_QLJ_TAB   2.0
  62 #define C_GR_LJ_CUT    1.0
  63 #define C_GR_LJ_TAB    1.75
  64 /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
  65 #define C_GR_QLJW_CUT  2.0
  66 #define C_GR_QLJW_TAB  2.25
  67 /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
  68 #define C_GR_QW        1.75
  69
  70 /* Cost of a pair interaction in the "Verlet" cut-off scheme, QEXP is Ewald */
  71 #define C_VT_LJ        0.30
  72 #define C_VT_QRF_LJ    0.40
  73 #define C_VT_QRF       0.30
  74 #define C_VT_QEXP_LJ   0.55
  75 #define C_VT_QEXP      0.50
  76 /* Extra cost for expensive LJ interaction, e.g. pot-switch or LJ-PME */
  77 #define C_VT_LJEXP_ADD 0.20
  78
  79 /* Cost of PME, with all components running with SSE instructions */
  80 /* Cost of particle reordering and redistribution */
  81 #define C_PME_REDIST  12.0
  82 /* Cost of q spreading and force interpolation per charge (mainly memory) */
  83 #define C_PME_SPREAD  0.30
  84 /* Cost of fft's, will be multiplied with N log(N) */
  85 #define C_PME_FFT     0.20
  86 /* Cost of pme_solve, will be multiplied with N */
  87 #define C_PME_SOLVE   0.50
  88
  89 /* Cost of a bonded interaction divided by the number of (pbc_)dx nrequired */
  90 #define C_BOND        5.0
  91
  92 int n_bonded_dx(gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bExcl)
  93 {
  94     int            mb, nmol, ftype, ndxb, ndx_excl;
  95     int            ndx;
  96     gmx_moltype_t *molt;
  97
  98     /* Count the number of pbc_rvec_sub calls required for bonded interactions.
  99      * This number is also roughly proportional to the computational cost.
 100      */
 101     ndx      = 0;
 102     ndx_excl = 0;
 103     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 104     {
 105         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 106         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 107         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 108         {
 109             if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND)
 110             {
 111                 switch (ftype)
 112                 {
 113                     case F_POSRES:
 114                     case F_FBPOSRES:  ndxb = 1; break;
 115                     case F_CONNBONDS: ndxb = 0; break;
 116                     default:     ndxb      = NRAL(ftype) - 1; break;
 117                 }
 118                 ndx += nmol*ndxb*molt->ilist[ftype].nr/(1 + NRAL(ftype));
 119             }
 120         }
 121         if (bExcl)
 122         {
 123             ndx_excl += nmol*(molt->excls.nra - molt->atoms.nr)/2;
 124         }
 125         else
 126         {
 127             ndx_excl = 0;
 128         }
 129     }
 130
 131     if (debug)
 132     {
 133         fprintf(debug, "ndx bonded %d exclusions %d\n", ndx, ndx_excl);
 134     }
 135
 136     ndx += ndx_excl;
 137
 138     return ndx;
 139 }
 140
 141 static void pp_group_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 142                           int *nq_tot, int *nlj_tot,
 143                           double *cost_pp,
 144                           gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 145 {
 146     t_atom        *atom;
 147     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, ncqlj, ncq, nclj;
 148     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bWater, bQ, bLJ;
 149     int            nw, nqlj, nq, nlj;
 150     float          fq, fqlj, flj, fljtab, fqljw, fqw;
 151     t_iparams     *iparams;
 152     gmx_moltype_t *molt;
 153
 154     bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
 155
 156     bLJcut = ((ir->vdwtype == evdwCUT) && !bBHAM);
 157
 158     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 159      * This will be machine dependent.
 160      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 161      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 162      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 163      */
 164     fq    = C_GR_FQ;
 165     fqlj  = (bLJcut ? C_GR_QLJ_CUT : C_GR_QLJ_TAB);
 166     flj   = (bLJcut ? C_GR_LJ_CUT  : C_GR_LJ_TAB);
 167     /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
 168     fqljw = (bLJcut ? C_GR_QLJW_CUT : C_GR_QLJW_TAB);
 169     /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
 170     fqw   = C_GR_QW;
 171
 172     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 173     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 174     nw                = 0;
 175     nqlj              = 0;
 176     nq                = 0;
 177     nlj               = 0;
 178     *bChargePerturbed = FALSE;
 179     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 180     {
 181         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 182         atom = molt->atoms.atom;
 183         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 184         a    = 0;
 185         for (cg = 0; cg < molt->cgs.nr; cg++)
 186         {
 187             bWater = !bBHAM;
 188             ncqlj  = 0;
 189             ncq    = 0;
 190             nclj   = 0;
 191             a0     = a;
 192             while (a < molt->cgs.index[cg+1])
 193             {
 194                 bQ  = (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0);
 195                 bLJ = (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 196                        iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0);
 197                 if (atom[a].q != atom[a].qB)
 198                 {
 199                     *bChargePerturbed = TRUE;
 200                 }
 201                 if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 202                 {
 203                     *bTypePerturbed = TRUE;
 204                 }
 205                 /* This if this atom fits into water optimization */
 206                 if (!((a == a0   &&  bQ &&  bLJ) ||
 207                       (a == a0+1 &&  bQ && !bLJ) ||
 208                       (a == a0+2 &&  bQ && !bLJ && atom[a].q == atom[a-1].q) ||
 209                       (a == a0+3 && !bQ &&  bLJ)))
 210                 {
 211                     bWater = FALSE;
 212                 }
 213                 if (bQ && bLJ)
 214                 {
 215                     ncqlj++;
 216                 }
 217                 else
 218                 {
 219                     if (bQ)
 220                     {
 221                         ncq++;
 222                     }
 223                     if (bLJ)
 224                     {
 225                         nclj++;
 226                     }
 227                 }
 228                 a++;
 229             }
 230             if (bWater)
 231             {
 232                 nw   += nmol;
 233             }
 234             else
 235             {
 236                 nqlj += nmol*ncqlj;
 237                 nq   += nmol*ncq;
 238                 nlj  += nmol*nclj;
 239             }
 240         }
 241     }
 242
 243     *nq_tot  = nq  + nqlj + nw*3;
 244     *nlj_tot = nlj + nqlj + nw;
 245
 246     if (debug)
 247     {
 248         fprintf(debug, "nw %d nqlj %d nq %d nlj %d\n", nw, nqlj, nq, nlj);
 249     }
 250
 251     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 252      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 253      * Factor 3 is used because a water molecule has 3 atoms
 254      * (and TIP4P effectively has 3 interactions with (water) atoms)).
 255      */
 256     *cost_pp = 0.5*(fqljw*nw*nqlj +
 257                     fqw  *nw*(3*nw + nq) +
 258                     fqlj *nqlj*nqlj +
 259                     fq   *nq*(3*nw + nqlj + nq) +
 260                     flj  *nlj*(nw + nqlj + nlj))
 261         *4/3*M_PI*ir->rlist*ir->rlist*ir->rlist/det(box);
 262 }
 263
 264 static void pp_verlet_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 265                            int *nq_tot, int *nlj_tot,
 266                            double *cost_pp,
 267                            gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 268 {
 269     t_atom        *atom;
 270     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nqlj, nq, nlj;
 271     gmx_bool       bQRF;
 272     t_iparams     *iparams;
 273     gmx_moltype_t *molt;
 274     real           r_eff;
 275     double         c_qlj, c_q, c_lj;
 276     double         nat;
 277     /* Conversion factor for reference vs SIMD kernel performance.
 278      * The factor is about right for SSE2/4, but should be 2 higher for AVX256.
 279      */
 280 #ifdef GMX_DOUBLE
 281     const real     nbnxn_refkernel_fac = 4.0;
 282 #else
 283     const real     nbnxn_refkernel_fac = 8.0;
 284 #endif
 285
 286     bQRF = (EEL_RF(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelCUT);
 287
 288     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 289     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 290     nqlj              = 0;
 291     nq                = 0;
 292     *bChargePerturbed = FALSE;
 293     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 294     {
 295         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 296         atom = molt->atoms.atom;
 297         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 298         a    = 0;
 299         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
 300         {
 301             if (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0)
 302             {
 303                 if (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 304                     iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0)
 305                 {
 306                     nqlj += nmol;
 307                 }
 308                 else
 309                 {
 310                     nq += nmol;
 311                 }
 312             }
 313             if (atom[a].q != atom[a].qB)
 314             {
 315                 *bChargePerturbed = TRUE;
 316             }
 317             if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 318             {
 319                 *bTypePerturbed = TRUE;
 320             }
 321         }
 322     }
 323
 324     nlj = mtop->natoms - nqlj - nq;
 325
 326     *nq_tot  = nqlj + nq;
 327     *nlj_tot = nqlj + nlj;
 328
 329     /* Effective cut-off for cluster pair list of 4x4 atoms */
 330     r_eff = ir->rlist + nbnxn_get_rlist_effective_inc(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, mtop->natoms/det(box));
 331
 332     if (debug)
 333     {
 334         fprintf(debug, "nqlj %d nq %d nlj %d rlist %.3f r_eff %.3f\n",
 335                 nqlj, nq, nlj, ir->rlist, r_eff);
 336     }
 337
 338     /* Determine the cost per pair interaction */
 339     c_qlj = (bQRF ? C_VT_QRF_LJ : C_VT_QEXP_LJ);
 340     c_q   = (bQRF ? C_VT_QRF    : C_VT_QEXP);
 341     c_lj  = C_VT_LJ;
 342     if (ir->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || EVDW_PME(ir->vdwtype))
 343     {
 344         c_qlj += C_VT_LJEXP_ADD;
 345         c_lj  += C_VT_LJEXP_ADD;
 346     }
 347     if (EVDW_PME(ir->vdwtype) && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 348     {
 349         /* We don't have LJ-PME LB comb. rule kernels, we use slow kernels */
 350         c_qlj *= nbnxn_refkernel_fac;
 351         c_q   *= nbnxn_refkernel_fac;
 352         c_lj  *= nbnxn_refkernel_fac;
 353     }
 354
 355     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 356      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 357      */
 358     /* Convert mtop->natoms to double to avoid int overflow */
 359     nat      = mtop->natoms;
 360     *cost_pp = 0.5*nat*(nqlj*c_qlj + nq*c_q + nlj*c_lj)
 361         *4/3*M_PI*r_eff*r_eff*r_eff/det(box);
 362 }
 363
 364 float pme_load_estimate(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box)
 365 {
 366     t_atom        *atom;
 367     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nq_tot, nlj_tot, f;
 368     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bChargePerturbed, bTypePerturbed;
 369     gmx_bool       bWater, bQ, bLJ;
 370     double         cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve, cost_pme;
 371     float          ratio;
 372     t_iparams     *iparams;
 373     gmx_moltype_t *molt;
 374
 375     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 376      * This will be machine dependent.
 377      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 378      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 379      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 380      */
 381
 382     iparams = mtop->ffparams.iparams;
 383     atnr    = mtop->ffparams.atnr;
 384
 385     cost_bond = C_BOND*n_bonded_dx(mtop, TRUE);
 386
 387     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
 388     {
 389         pp_group_load(mtop, ir, box,
 390                       &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 391                       &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 392     }
 393     else
 394     {
 395         pp_verlet_load(mtop, ir, box,
 396                        &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 397                        &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 398     }
 399
 400     cost_redist = 0;
 401     cost_spread = 0;
 402     cost_fft    = 0;
 403     cost_solve  = 0;
 404
 405     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
 406     {
 407         f            = ((ir->efep != efepNO && bChargePerturbed) ? 2 : 1);
 408         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nq_tot;
 409         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nq_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 410         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 411         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 412     }
 413
 414     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 415     {
 416         f            = ((ir->efep != efepNO && bTypePerturbed) ? 2 : 1);
 417         if (ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 418         {
 419             /* LB combination rule: we have 7 mesh terms */
 420             f       *= 7;
 421         }
 422         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nlj_tot;
 423         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nlj_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 424         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 425         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 426     }
 427
 428     cost_pme = cost_redist + cost_spread + cost_fft + cost_solve;
 429
 430     ratio = cost_pme/(cost_bond + cost_pp + cost_pme);
 431
 432     if (debug)
 433     {
 434         fprintf(debug,
 435                 "cost_bond   %f\n"
 436                 "cost_pp     %f\n"
 437                 "cost_redist %f\n"
 438                 "cost_spread %f\n"
 439                 "cost_fft    %f\n"
 440                 "cost_solve  %f\n",
 441                 cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve);
 442
 443         fprintf(debug, "Estimate for relative PME load: %.3f\n", ratio);
 444     }
 445
 446     return ratio;
 447 }