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 #include "config.h"
  38
  39 #include <math.h>
  40
  41 #include "gromacs/math/vec.h"
  42 #include "gromacs/topology/topology.h"
  43 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  44
  45 #include "perf_est.h"
  46 #include "types/commrec.h"
  47 #include "nbnxn_search.h"
  48 #include "nbnxn_consts.h"
  49
  50 /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
  51  * This will be machine dependent.
  52  * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
  53  * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
  54  * although not so much that the numbers need to be adjusted.
  55  */
  56
  57 /* Cost of a pair interaction in the "group" cut-off scheme */
  58 #define C_GR_FQ        1.5
  59 #define C_GR_QLJ_CUT   1.5
  60 #define C_GR_QLJ_TAB   2.0
  61 #define C_GR_LJ_CUT    1.0
  62 #define C_GR_LJ_TAB    1.75
  63 /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
  64 #define C_GR_QLJW_CUT  2.0
  65 #define C_GR_QLJW_TAB  2.25
  66 /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
  67 #define C_GR_QW        1.75
  68
  69 /* Cost of a pair interaction in the "Verlet" cut-off scheme, QEXP is Ewald */
  70 #define C_VT_LJ        0.30
  71 #define C_VT_QRF_LJ    0.40
  72 #define C_VT_QRF       0.30
  73 #define C_VT_QEXP_LJ   0.55
  74 #define C_VT_QEXP      0.50
  75 /* Extra cost for expensive LJ interaction, e.g. pot-switch or LJ-PME */
  76 #define C_VT_LJEXP_ADD 0.20
  77
  78 /* Cost of PME, with all components running with SSE instructions */
  79 /* Cost of particle reordering and redistribution */
  80 #define C_PME_REDIST  12.0
  81 /* Cost of q spreading and force interpolation per charge (mainly memory) */
  82 #define C_PME_SPREAD  0.30
  83 /* Cost of fft's, will be multiplied with N log(N) */
  84 #define C_PME_FFT     0.20
  85 /* Cost of pme_solve, will be multiplied with N */
  86 #define C_PME_SOLVE   0.50
  87
  88 /* Cost of a bonded interaction divided by the number of (pbc_)dx nrequired */
  89 #define C_BOND        5.0
  90
  91 int n_bonded_dx(gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bExcl)
  92 {
  93     int            mb, nmol, ftype, ndxb, ndx_excl;
  94     int            ndx;
  95     gmx_moltype_t *molt;
  96
  97     /* Count the number of pbc_rvec_sub calls required for bonded interactions.
  98      * This number is also roughly proportional to the computational cost.
  99      */
 100     ndx      = 0;
 101     ndx_excl = 0;
 102     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 103     {
 104         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 105         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 106         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 107         {
 108             if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND)
 109             {
 110                 switch (ftype)
 111                 {
 112                     case F_POSRES:
 113                     case F_FBPOSRES:  ndxb = 1; break;
 114                     case F_CONNBONDS: ndxb = 0; break;
 115                     default:     ndxb      = NRAL(ftype) - 1; break;
 116                 }
 117                 ndx += nmol*ndxb*molt->ilist[ftype].nr/(1 + NRAL(ftype));
 118             }
 119         }
 120         if (bExcl)
 121         {
 122             ndx_excl += nmol*(molt->excls.nra - molt->atoms.nr)/2;
 123         }
 124         else
 125         {
 126             ndx_excl = 0;
 127         }
 128     }
 129
 130     if (debug)
 131     {
 132         fprintf(debug, "ndx bonded %d exclusions %d\n", ndx, ndx_excl);
 133     }
 134
 135     ndx += ndx_excl;
 136
 137     return ndx;
 138 }
 139
 140 static void pp_group_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 141                           int *nq_tot, int *nlj_tot,
 142                           double *cost_pp,
 143                           gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 144 {
 145     t_atom        *atom;
 146     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, ncqlj, ncq, nclj;
 147     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bWater, bQ, bLJ;
 148     int            nw, nqlj, nq, nlj;
 149     float          fq, fqlj, flj, fljtab, fqljw, fqw;
 150     t_iparams     *iparams;
 151     gmx_moltype_t *molt;
 152
 153     bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
 154
 155     bLJcut = ((ir->vdwtype == evdwCUT) && !bBHAM);
 156
 157     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 158      * This will be machine dependent.
 159      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 160      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 161      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 162      */
 163     fq    = C_GR_FQ;
 164     fqlj  = (bLJcut ? C_GR_QLJ_CUT : C_GR_QLJ_TAB);
 165     flj   = (bLJcut ? C_GR_LJ_CUT  : C_GR_LJ_TAB);
 166     /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
 167     fqljw = (bLJcut ? C_GR_QLJW_CUT : C_GR_QLJW_TAB);
 168     /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
 169     fqw   = C_GR_QW;
 170
 171     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 172     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 173     nw                = 0;
 174     nqlj              = 0;
 175     nq                = 0;
 176     nlj               = 0;
 177     *bChargePerturbed = FALSE;
 178     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 179     {
 180         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 181         atom = molt->atoms.atom;
 182         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 183         a    = 0;
 184         for (cg = 0; cg < molt->cgs.nr; cg++)
 185         {
 186             bWater = !bBHAM;
 187             ncqlj  = 0;
 188             ncq    = 0;
 189             nclj   = 0;
 190             a0     = a;
 191             while (a < molt->cgs.index[cg+1])
 192             {
 193                 bQ  = (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0);
 194                 bLJ = (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 195                        iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0);
 196                 if (atom[a].q != atom[a].qB)
 197                 {
 198                     *bChargePerturbed = TRUE;
 199                 }
 200                 if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 201                 {
 202                     *bTypePerturbed = TRUE;
 203                 }
 204                 /* This if this atom fits into water optimization */
 205                 if (!((a == a0   &&  bQ &&  bLJ) ||
 206                       (a == a0+1 &&  bQ && !bLJ) ||
 207                       (a == a0+2 &&  bQ && !bLJ && atom[a].q == atom[a-1].q) ||
 208                       (a == a0+3 && !bQ &&  bLJ)))
 209                 {
 210                     bWater = FALSE;
 211                 }
 212                 if (bQ && bLJ)
 213                 {
 214                     ncqlj++;
 215                 }
 216                 else
 217                 {
 218                     if (bQ)
 219                     {
 220                         ncq++;
 221                     }
 222                     if (bLJ)
 223                     {
 224                         nclj++;
 225                     }
 226                 }
 227                 a++;
 228             }
 229             if (bWater)
 230             {
 231                 nw   += nmol;
 232             }
 233             else
 234             {
 235                 nqlj += nmol*ncqlj;
 236                 nq   += nmol*ncq;
 237                 nlj  += nmol*nclj;
 238             }
 239         }
 240     }
 241
 242     *nq_tot  = nq  + nqlj + nw*3;
 243     *nlj_tot = nlj + nqlj + nw;
 244
 245     if (debug)
 246     {
 247         fprintf(debug, "nw %d nqlj %d nq %d nlj %d\n", nw, nqlj, nq, nlj);
 248     }
 249
 250     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 251      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 252      * Factor 3 is used because a water molecule has 3 atoms
 253      * (and TIP4P effectively has 3 interactions with (water) atoms)).
 254      */
 255     *cost_pp = 0.5*(fqljw*nw*nqlj +
 256                     fqw  *nw*(3*nw + nq) +
 257                     fqlj *nqlj*nqlj +
 258                     fq   *nq*(3*nw + nqlj + nq) +
 259                     flj  *nlj*(nw + nqlj + nlj))
 260         *4/3*M_PI*ir->rlist*ir->rlist*ir->rlist/det(box);
 261 }
 262
 263 static void pp_verlet_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 264                            int *nq_tot, int *nlj_tot,
 265                            double *cost_pp,
 266                            gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 267 {
 268     t_atom        *atom;
 269     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nqlj, nq, nlj;
 270     gmx_bool       bQRF;
 271     t_iparams     *iparams;
 272     gmx_moltype_t *molt;
 273     real           r_eff;
 274     double         c_qlj, c_q, c_lj;
 275     double         nat;
 276     /* Conversion factor for reference vs SIMD kernel performance.
 277      * The factor is about right for SSE2/4, but should be 2 higher for AVX256.
 278      */
 279 #ifdef GMX_DOUBLE
 280     const real     nbnxn_refkernel_fac = 4.0;
 281 #else
 282     const real     nbnxn_refkernel_fac = 8.0;
 283 #endif
 284
 285     bQRF = (EEL_RF(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelCUT);
 286
 287     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 288     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 289     nqlj              = 0;
 290     nq                = 0;
 291     *bChargePerturbed = FALSE;
 292     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 293     {
 294         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 295         atom = molt->atoms.atom;
 296         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 297         a    = 0;
 298         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
 299         {
 300             if (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0)
 301             {
 302                 if (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 303                     iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0)
 304                 {
 305                     nqlj += nmol;
 306                 }
 307                 else
 308                 {
 309                     nq += nmol;
 310                 }
 311             }
 312             if (atom[a].q != atom[a].qB)
 313             {
 314                 *bChargePerturbed = TRUE;
 315             }
 316             if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 317             {
 318                 *bTypePerturbed = TRUE;
 319             }
 320         }
 321     }
 322
 323     nlj = mtop->natoms - nqlj - nq;
 324
 325     *nq_tot  = nqlj + nq;
 326     *nlj_tot = nqlj + nlj;
 327
 328     /* Effective cut-off for cluster pair list of 4x4 atoms */
 329     r_eff = ir->rlist + nbnxn_get_rlist_effective_inc(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, mtop->natoms/det(box));
 330
 331     if (debug)
 332     {
 333         fprintf(debug, "nqlj %d nq %d nlj %d rlist %.3f r_eff %.3f\n",
 334                 nqlj, nq, nlj, ir->rlist, r_eff);
 335     }
 336
 337     /* Determine the cost per pair interaction */
 338     c_qlj = (bQRF ? C_VT_QRF_LJ : C_VT_QEXP_LJ);
 339     c_q   = (bQRF ? C_VT_QRF    : C_VT_QEXP);
 340     c_lj  = C_VT_LJ;
 341     if (ir->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || EVDW_PME(ir->vdwtype))
 342     {
 343         c_qlj += C_VT_LJEXP_ADD;
 344         c_lj  += C_VT_LJEXP_ADD;
 345     }
 346     if (EVDW_PME(ir->vdwtype) && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 347     {
 348         /* We don't have LJ-PME LB comb. rule kernels, we use slow kernels */
 349         c_qlj *= nbnxn_refkernel_fac;
 350         c_q   *= nbnxn_refkernel_fac;
 351         c_lj  *= nbnxn_refkernel_fac;
 352     }
 353
 354     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 355      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 356      */
 357     /* Convert mtop->natoms to double to avoid int overflow */
 358     nat      = mtop->natoms;
 359     *cost_pp = 0.5*nat*(nqlj*c_qlj + nq*c_q + nlj*c_lj)
 360         *4/3*M_PI*r_eff*r_eff*r_eff/det(box);
 361 }
 362
 363 float pme_load_estimate(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box)
 364 {
 365     t_atom        *atom;
 366     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nq_tot, nlj_tot, f;
 367     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bChargePerturbed, bTypePerturbed;
 368     gmx_bool       bWater, bQ, bLJ;
 369     double         cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve, cost_pme;
 370     float          ratio;
 371     t_iparams     *iparams;
 372     gmx_moltype_t *molt;
 373
 374     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 375      * This will be machine dependent.
 376      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 377      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 378      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 379      */
 380
 381     iparams = mtop->ffparams.iparams;
 382     atnr    = mtop->ffparams.atnr;
 383
 384     cost_bond = C_BOND*n_bonded_dx(mtop, TRUE);
 385
 386     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
 387     {
 388         pp_group_load(mtop, ir, box,
 389                       &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 390                       &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 391     }
 392     else
 393     {
 394         pp_verlet_load(mtop, ir, box,
 395                        &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 396                        &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 397     }
 398
 399     cost_redist = 0;
 400     cost_spread = 0;
 401     cost_fft    = 0;
 402     cost_solve  = 0;
 403
 404     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
 405     {
 406         f            = ((ir->efep != efepNO && bChargePerturbed) ? 2 : 1);
 407         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nq_tot;
 408         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nq_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 409         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 410         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 411     }
 412
 413     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 414     {
 415         f            = ((ir->efep != efepNO && bTypePerturbed) ? 2 : 1);
 416         if (ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 417         {
 418             /* LB combination rule: we have 7 mesh terms */
 419             f       *= 7;
 420         }
 421         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nlj_tot;
 422         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nlj_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 423         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 424         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 425     }
 426
 427     cost_pme = cost_redist + cost_spread + cost_fft + cost_solve;
 428
 429     ratio = cost_pme/(cost_bond + cost_pp + cost_pme);
 430
 431     if (debug)
 432     {
 433         fprintf(debug,
 434                 "cost_bond   %f\n"
 435                 "cost_pp     %f\n"
 436                 "cost_redist %f\n"
 437                 "cost_spread %f\n"
 438                 "cost_fft    %f\n"
 439                 "cost_solve  %f\n",
 440                 cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve);
 441
 442         fprintf(debug, "Estimate for relative PME load: %.3f\n", ratio);
 443     }
 444
 445     return ratio;
 446 }