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 "gromacs/math/vec.h"
  44 #include "gromacs/topology/topology.h"
  45 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  46
  47 #include "perf_est.h"
  48 #include "types/commrec.h"
  49 #include "nbnxn_search.h"
  50 #include "nbnxn_consts.h"
  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     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 105     {
 106         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 107         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 108         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 109         {
 110             if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND)
 111             {
 112                 switch (ftype)
 113                 {
 114                     case F_POSRES:
 115                     case F_FBPOSRES:  ndxb = 1; break;
 116                     case F_CONNBONDS: ndxb = 0; break;
 117                     default:     ndxb      = NRAL(ftype) - 1; break;
 118                 }
 119                 ndx += nmol*ndxb*molt->ilist[ftype].nr/(1 + NRAL(ftype));
 120             }
 121         }
 122         if (bExcl)
 123         {
 124             ndx_excl += nmol*(molt->excls.nra - molt->atoms.nr)/2;
 125         }
 126         else
 127         {
 128             ndx_excl = 0;
 129         }
 130     }
 131
 132     if (debug)
 133     {
 134         fprintf(debug, "ndx bonded %d exclusions %d\n", ndx, ndx_excl);
 135     }
 136
 137     ndx += ndx_excl;
 138
 139     return ndx;
 140 }
 141
 142 static void pp_group_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 143                           int *nq_tot, int *nlj_tot,
 144                           double *cost_pp,
 145                           gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 146 {
 147     t_atom        *atom;
 148     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, ncqlj, ncq, nclj;
 149     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bWater, bQ, bLJ;
 150     int            nw, nqlj, nq, nlj;
 151     float          fq, fqlj, flj, fljtab, fqljw, fqw;
 152     t_iparams     *iparams;
 153     gmx_moltype_t *molt;
 154
 155     bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
 156
 157     bLJcut = ((ir->vdwtype == evdwCUT) && !bBHAM);
 158
 159     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 160      * This will be machine dependent.
 161      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 162      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 163      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 164      */
 165     fq    = C_GR_FQ;
 166     fqlj  = (bLJcut ? C_GR_QLJ_CUT : C_GR_QLJ_TAB);
 167     flj   = (bLJcut ? C_GR_LJ_CUT  : C_GR_LJ_TAB);
 168     /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
 169     fqljw = (bLJcut ? C_GR_QLJW_CUT : C_GR_QLJW_TAB);
 170     /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
 171     fqw   = C_GR_QW;
 172
 173     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 174     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 175     nw                = 0;
 176     nqlj              = 0;
 177     nq                = 0;
 178     nlj               = 0;
 179     *bChargePerturbed = FALSE;
 180     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 181     {
 182         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 183         atom = molt->atoms.atom;
 184         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 185         a    = 0;
 186         for (cg = 0; cg < molt->cgs.nr; cg++)
 187         {
 188             bWater = !bBHAM;
 189             ncqlj  = 0;
 190             ncq    = 0;
 191             nclj   = 0;
 192             a0     = a;
 193             while (a < molt->cgs.index[cg+1])
 194             {
 195                 bQ  = (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0);
 196                 bLJ = (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 197                        iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0);
 198                 if (atom[a].q != atom[a].qB)
 199                 {
 200                     *bChargePerturbed = TRUE;
 201                 }
 202                 if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 203                 {
 204                     *bTypePerturbed = TRUE;
 205                 }
 206                 /* This if this atom fits into water optimization */
 207                 if (!((a == a0   &&  bQ &&  bLJ) ||
 208                       (a == a0+1 &&  bQ && !bLJ) ||
 209                       (a == a0+2 &&  bQ && !bLJ && atom[a].q == atom[a-1].q) ||
 210                       (a == a0+3 && !bQ &&  bLJ)))
 211                 {
 212                     bWater = FALSE;
 213                 }
 214                 if (bQ && bLJ)
 215                 {
 216                     ncqlj++;
 217                 }
 218                 else
 219                 {
 220                     if (bQ)
 221                     {
 222                         ncq++;
 223                     }
 224                     if (bLJ)
 225                     {
 226                         nclj++;
 227                     }
 228                 }
 229                 a++;
 230             }
 231             if (bWater)
 232             {
 233                 nw   += nmol;
 234             }
 235             else
 236             {
 237                 nqlj += nmol*ncqlj;
 238                 nq   += nmol*ncq;
 239                 nlj  += nmol*nclj;
 240             }
 241         }
 242     }
 243
 244     *nq_tot  = nq  + nqlj + nw*3;
 245     *nlj_tot = nlj + nqlj + nw;
 246
 247     if (debug)
 248     {
 249         fprintf(debug, "nw %d nqlj %d nq %d nlj %d\n", nw, nqlj, nq, nlj);
 250     }
 251
 252     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 253      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 254      * Factor 3 is used because a water molecule has 3 atoms
 255      * (and TIP4P effectively has 3 interactions with (water) atoms)).
 256      */
 257     *cost_pp = 0.5*(fqljw*nw*nqlj +
 258                     fqw  *nw*(3*nw + nq) +
 259                     fqlj *nqlj*nqlj +
 260                     fq   *nq*(3*nw + nqlj + nq) +
 261                     flj  *nlj*(nw + nqlj + nlj))
 262         *4/3*M_PI*ir->rlist*ir->rlist*ir->rlist/det(box);
 263 }
 264
 265 static void pp_verlet_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 266                            int *nq_tot, int *nlj_tot,
 267                            double *cost_pp,
 268                            gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 269 {
 270     t_atom        *atom;
 271     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nqlj, nq, nlj;
 272     gmx_bool       bQRF;
 273     t_iparams     *iparams;
 274     gmx_moltype_t *molt;
 275     real           r_eff;
 276     double         c_qlj, c_q, c_lj;
 277     double         nat;
 278     /* Conversion factor for reference vs SIMD kernel performance.
 279      * The factor is about right for SSE2/4, but should be 2 higher for AVX256.
 280      */
 281 #ifdef GMX_DOUBLE
 282     const real     nbnxn_refkernel_fac = 4.0;
 283 #else
 284     const real     nbnxn_refkernel_fac = 8.0;
 285 #endif
 286
 287     bQRF = (EEL_RF(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelCUT);
 288
 289     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 290     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 291     nqlj              = 0;
 292     nq                = 0;
 293     *bChargePerturbed = FALSE;
 294     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 295     {
 296         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 297         atom = molt->atoms.atom;
 298         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 299         a    = 0;
 300         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
 301         {
 302             if (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0)
 303             {
 304                 if (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 305                     iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0)
 306                 {
 307                     nqlj += nmol;
 308                 }
 309                 else
 310                 {
 311                     nq += nmol;
 312                 }
 313             }
 314             if (atom[a].q != atom[a].qB)
 315             {
 316                 *bChargePerturbed = TRUE;
 317             }
 318             if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 319             {
 320                 *bTypePerturbed = TRUE;
 321             }
 322         }
 323     }
 324
 325     nlj = mtop->natoms - nqlj - nq;
 326
 327     *nq_tot  = nqlj + nq;
 328     *nlj_tot = nqlj + nlj;
 329
 330     /* Effective cut-off for cluster pair list of 4x4 atoms */
 331     r_eff = ir->rlist + nbnxn_get_rlist_effective_inc(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, mtop->natoms/det(box));
 332
 333     if (debug)
 334     {
 335         fprintf(debug, "nqlj %d nq %d nlj %d rlist %.3f r_eff %.3f\n",
 336                 nqlj, nq, nlj, ir->rlist, r_eff);
 337     }
 338
 339     /* Determine the cost per pair interaction */
 340     c_qlj = (bQRF ? C_VT_QRF_LJ : C_VT_QEXP_LJ);
 341     c_q   = (bQRF ? C_VT_QRF    : C_VT_QEXP);
 342     c_lj  = C_VT_LJ;
 343     if (ir->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || EVDW_PME(ir->vdwtype))
 344     {
 345         c_qlj += C_VT_LJEXP_ADD;
 346         c_lj  += C_VT_LJEXP_ADD;
 347     }
 348     if (EVDW_PME(ir->vdwtype) && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 349     {
 350         /* We don't have LJ-PME LB comb. rule kernels, we use slow kernels */
 351         c_qlj *= nbnxn_refkernel_fac;
 352         c_q   *= nbnxn_refkernel_fac;
 353         c_lj  *= nbnxn_refkernel_fac;
 354     }
 355
 356     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 357      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 358      */
 359     /* Convert mtop->natoms to double to avoid int overflow */
 360     nat      = mtop->natoms;
 361     *cost_pp = 0.5*nat*(nqlj*c_qlj + nq*c_q + nlj*c_lj)
 362         *4/3*M_PI*r_eff*r_eff*r_eff/det(box);
 363 }
 364
 365 float pme_load_estimate(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box)
 366 {
 367     t_atom        *atom;
 368     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, nq_tot, nlj_tot, f;
 369     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bChargePerturbed, bTypePerturbed;
 370     gmx_bool       bWater, bQ, bLJ;
 371     double         cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve, cost_pme;
 372     float          ratio;
 373     t_iparams     *iparams;
 374     gmx_moltype_t *molt;
 375
 376     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 377      * This will be machine dependent.
 378      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 379      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 380      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 381      */
 382
 383     iparams = mtop->ffparams.iparams;
 384     atnr    = mtop->ffparams.atnr;
 385
 386     cost_bond = C_BOND*n_bonded_dx(mtop, TRUE);
 387
 388     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
 389     {
 390         pp_group_load(mtop, ir, box,
 391                       &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 392                       &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 393     }
 394     else
 395     {
 396         pp_verlet_load(mtop, ir, box,
 397                        &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 398                        &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 399     }
 400
 401     cost_redist = 0;
 402     cost_spread = 0;
 403     cost_fft    = 0;
 404     cost_solve  = 0;
 405
 406     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
 407     {
 408         f            = ((ir->efep != efepNO && bChargePerturbed) ? 2 : 1);
 409         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nq_tot;
 410         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nq_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 411         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 412         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 413     }
 414
 415     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 416     {
 417         f            = ((ir->efep != efepNO && bTypePerturbed) ? 2 : 1);
 418         if (ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 419         {
 420             /* LB combination rule: we have 7 mesh terms */
 421             f       *= 7;
 422         }
 423         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nlj_tot;
 424         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nlj_tot*pow(ir->pme_order, 3);
 425         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*log(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz);
 426         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 427     }
 428
 429     cost_pme = cost_redist + cost_spread + cost_fft + cost_solve;
 430
 431     ratio = cost_pme/(cost_bond + cost_pp + cost_pme);
 432
 433     if (debug)
 434     {
 435         fprintf(debug,
 436                 "cost_bond   %f\n"
 437                 "cost_pp     %f\n"
 438                 "cost_redist %f\n"
 439                 "cost_spread %f\n"
 440                 "cost_fft    %f\n"
 441                 "cost_solve  %f\n",
 442                 cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve);
 443
 444         fprintf(debug, "Estimate for relative PME load: %.3f\n", ratio);
 445     }
 446
 447     return ratio;
 448 }