src/gromacs/mdlib/perf_est.cpp

   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 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "perf_est.h"
  40
  41 #include <cmath>
  42
  43 #include "gromacs/math/functions.h"
  44 #include "gromacs/math/vec.h"
  45 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_consts.h"
  46 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
  47 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  48 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  49 #include "gromacs/topology/ifunc.h"
  50 #include "gromacs/topology/topology.h"
  51 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  52
  53 /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
  54  * This will be machine dependent.
  55  * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
  56  * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
  57  * although not so much that the numbers need to be adjusted.
  58  */
  59
  60 /* Cost of a pair interaction in the "group" cut-off scheme */
  61 #define C_GR_FQ        1.5
  62 #define C_GR_QLJ_CUT   1.5
  63 #define C_GR_QLJ_TAB   2.0
  64 #define C_GR_LJ_CUT    1.0
  65 #define C_GR_LJ_TAB    1.75
  66 /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
  67 #define C_GR_QLJW_CUT  2.0
  68 #define C_GR_QLJW_TAB  2.25
  69 /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
  70 #define C_GR_QW        1.75
  71
  72 /* Cost of a pair interaction in the "Verlet" cut-off scheme, QEXP is Ewald */
  73 #define C_VT_LJ        0.30
  74 #define C_VT_QRF_LJ    0.40
  75 #define C_VT_QRF       0.30
  76 #define C_VT_QEXP_LJ   0.55
  77 #define C_VT_QEXP      0.50
  78 /* Extra cost for expensive LJ interaction, e.g. pot-switch or LJ-PME */
  79 #define C_VT_LJEXP_ADD 0.20
  80
  81 /* Cost of PME, with all components running with SSE instructions */
  82 /* Cost of particle reordering and redistribution */
  83 #define C_PME_REDIST  12.0
  84 /* Cost of q spreading and force interpolation per charge (mainly memory) */
  85 #define C_PME_SPREAD  0.30
  86 /* Cost of fft's, will be multiplied with N log(N) */
  87 #define C_PME_FFT     0.20
  88 /* Cost of pme_solve, will be multiplied with N */
  89 #define C_PME_SOLVE   0.50
  90
  91 /* Cost of a bonded interaction divided by the number of (pbc_)dx nrequired */
  92 #define C_BOND        5.0
  93
  94 int n_bonded_dx(const gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bExcl)
  95 {
  96     int                  mb, nmol, ftype, ndxb, ndx_excl;
  97     int                  ndx;
  98     const gmx_moltype_t *molt;
  99
 100     /* Count the number of pbc_rvec_sub calls required for bonded interactions.
 101      * This number is also roughly proportional to the computational cost.
 102      */
 103     ndx      = 0;
 104     ndx_excl = 0;
 105 #if defined _ICC && __ICC == 1400 || defined __ICL && __ICL == 1400
 106 #pragma novector /* Work-around for incorrect vectorization */
 107 #endif
 108     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 109     {
 110         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 111         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 112         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 113         {
 114             if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND)
 115             {
 116                 switch (ftype)
 117                 {
 118                     case F_POSRES:
 119                     case F_FBPOSRES:  ndxb = 1; break;
 120                     case F_CONNBONDS: ndxb = 0; break;
 121                     default:     ndxb      = NRAL(ftype) - 1; break;
 122                 }
 123                 ndx += nmol*ndxb*molt->ilist[ftype].nr/(1 + NRAL(ftype));
 124             }
 125         }
 126         if (bExcl)
 127         {
 128             ndx_excl += nmol*(molt->excls.nra - molt->atoms.nr)/2;
 129         }
 130         else
 131         {
 132             ndx_excl = 0;
 133         }
 134     }
 135
 136     if (debug)
 137     {
 138         fprintf(debug, "ndx bonded %d exclusions %d\n", ndx, ndx_excl);
 139     }
 140
 141     ndx += ndx_excl;
 142
 143     return ndx;
 144 }
 145
 146 static void pp_group_load(const gmx_mtop_t *mtop, const t_inputrec *ir,
 147                           matrix box,
 148                           int *nq_tot, int *nlj_tot,
 149                           double *cost_pp,
 150                           gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 151 {
 152     t_atom        *atom;
 153     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, ncqlj, ncq, nclj;
 154     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bWater, bQ, bLJ;
 155     int            nw, nqlj, nq, nlj;
 156     float          fq, fqlj, flj, fqljw, fqw;
 157     t_iparams     *iparams;
 158     gmx_moltype_t *molt;
 159
 160     bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
 161
 162     bLJcut = ((ir->vdwtype == evdwCUT) && !bBHAM);
 163
 164     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 165      * This will be machine dependent.
 166      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 167      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 168      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 169      */
 170     fq    = C_GR_FQ;
 171     fqlj  = (bLJcut ? C_GR_QLJ_CUT : C_GR_QLJ_TAB);
 172     flj   = (bLJcut ? C_GR_LJ_CUT  : C_GR_LJ_TAB);
 173     /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
 174     fqljw = (bLJcut ? C_GR_QLJW_CUT : C_GR_QLJW_TAB);
 175     /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
 176     fqw   = C_GR_QW;
 177
 178     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 179     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 180     nw                = 0;
 181     nqlj              = 0;
 182     nq                = 0;
 183     nlj               = 0;
 184     *bChargePerturbed = FALSE;
 185     *bTypePerturbed   = FALSE;
 186     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 187     {
 188         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 189         atom = molt->atoms.atom;
 190         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 191         a    = 0;
 192         for (cg = 0; cg < molt->cgs.nr; cg++)
 193         {
 194             bWater = !bBHAM;
 195             ncqlj  = 0;
 196             ncq    = 0;
 197             nclj   = 0;
 198             a0     = a;
 199             while (a < molt->cgs.index[cg+1])
 200             {
 201                 bQ  = (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0);
 202                 bLJ = (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 203                        iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0);
 204                 if (atom[a].q != atom[a].qB)
 205                 {
 206                     *bChargePerturbed = TRUE;
 207                 }
 208                 if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 209                 {
 210                     *bTypePerturbed = TRUE;
 211                 }
 212                 /* This if this atom fits into water optimization */
 213                 if (!((a == a0   &&  bQ &&  bLJ) ||
 214                       (a == a0+1 &&  bQ && !bLJ) ||
 215                       (a == a0+2 &&  bQ && !bLJ && atom[a].q == atom[a-1].q) ||
 216                       (a == a0+3 && !bQ &&  bLJ)))
 217                 {
 218                     bWater = FALSE;
 219                 }
 220                 if (bQ && bLJ)
 221                 {
 222                     ncqlj++;
 223                 }
 224                 else
 225                 {
 226                     if (bQ)
 227                     {
 228                         ncq++;
 229                     }
 230                     if (bLJ)
 231                     {
 232                         nclj++;
 233                     }
 234                 }
 235                 a++;
 236             }
 237             if (bWater)
 238             {
 239                 nw   += nmol;
 240             }
 241             else
 242             {
 243                 nqlj += nmol*ncqlj;
 244                 nq   += nmol*ncq;
 245                 nlj  += nmol*nclj;
 246             }
 247         }
 248     }
 249
 250     *nq_tot  = nq  + nqlj + nw*3;
 251     *nlj_tot = nlj + nqlj + nw;
 252
 253     if (debug)
 254     {
 255         fprintf(debug, "nw %d nqlj %d nq %d nlj %d\n", nw, nqlj, nq, nlj);
 256     }
 257
 258     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 259      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 260      * Factor 3 is used because a water molecule has 3 atoms
 261      * (and TIP4P effectively has 3 interactions with (water) atoms)).
 262      */
 263     *cost_pp = 0.5*(fqljw*nw*nqlj +
 264                     fqw  *nw*(3*nw + nq) +
 265                     fqlj *nqlj*nqlj +
 266                     fq   *nq*(3*nw + nqlj + nq) +
 267                     flj  *nlj*(nw + nqlj + nlj))
 268         *4/3*M_PI*ir->rlist*ir->rlist*ir->rlist/det(box);
 269 }
 270
 271 static void pp_verlet_load(const gmx_mtop_t *mtop, const t_inputrec *ir,
 272                            matrix box,
 273                            int *nq_tot, int *nlj_tot,
 274                            double *cost_pp,
 275                            gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 276 {
 277     t_atom        *atom;
 278     int            mb, nmol, atnr, a, nqlj, nq, nlj;
 279     gmx_bool       bQRF;
 280     t_iparams     *iparams;
 281     gmx_moltype_t *molt;
 282     real           r_eff;
 283     double         c_qlj, c_q, c_lj;
 284     double         nat;
 285     /* Conversion factor for reference vs SIMD kernel performance.
 286      * The factor is about right for SSE2/4, but should be 2 higher for AVX256.
 287      */
 288 #ifdef GMX_DOUBLE
 289     const real     nbnxn_refkernel_fac = 4.0;
 290 #else
 291     const real     nbnxn_refkernel_fac = 8.0;
 292 #endif
 293
 294     bQRF = (EEL_RF(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelCUT);
 295
 296     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 297     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 298     nqlj              = 0;
 299     nq                = 0;
 300     *bChargePerturbed = FALSE;
 301     *bTypePerturbed   = FALSE;
 302     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 303     {
 304         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 305         atom = molt->atoms.atom;
 306         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 307         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
 308         {
 309             if (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0)
 310             {
 311                 if (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 312                     iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0)
 313                 {
 314                     nqlj += nmol;
 315                 }
 316                 else
 317                 {
 318                     nq += nmol;
 319                 }
 320             }
 321             if (atom[a].q != atom[a].qB)
 322             {
 323                 *bChargePerturbed = TRUE;
 324             }
 325             if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 326             {
 327                 *bTypePerturbed = TRUE;
 328             }
 329         }
 330     }
 331
 332     nlj = mtop->natoms - nqlj - nq;
 333
 334     *nq_tot  = nqlj + nq;
 335     *nlj_tot = nqlj + nlj;
 336
 337     /* Effective cut-off for cluster pair list of 4x4 atoms */
 338     r_eff = ir->rlist + nbnxn_get_rlist_effective_inc(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, mtop->natoms/det(box));
 339
 340     if (debug)
 341     {
 342         fprintf(debug, "nqlj %d nq %d nlj %d rlist %.3f r_eff %.3f\n",
 343                 nqlj, nq, nlj, ir->rlist, r_eff);
 344     }
 345
 346     /* Determine the cost per pair interaction */
 347     c_qlj = (bQRF ? C_VT_QRF_LJ : C_VT_QEXP_LJ);
 348     c_q   = (bQRF ? C_VT_QRF    : C_VT_QEXP);
 349     c_lj  = C_VT_LJ;
 350     if (ir->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || EVDW_PME(ir->vdwtype))
 351     {
 352         c_qlj += C_VT_LJEXP_ADD;
 353         c_lj  += C_VT_LJEXP_ADD;
 354     }
 355     if (EVDW_PME(ir->vdwtype) && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 356     {
 357         /* We don't have LJ-PME LB comb. rule kernels, we use slow kernels */
 358         c_qlj *= nbnxn_refkernel_fac;
 359         c_q   *= nbnxn_refkernel_fac;
 360         c_lj  *= nbnxn_refkernel_fac;
 361     }
 362
 363     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 364      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 365      */
 366     /* Convert mtop->natoms to double to avoid int overflow */
 367     nat      = mtop->natoms;
 368     *cost_pp = 0.5*nat*(nqlj*c_qlj + nq*c_q + nlj*c_lj)
 369         *4/3*M_PI*r_eff*r_eff*r_eff/det(box);
 370 }
 371
 372 float pme_load_estimate(const gmx_mtop_t *mtop, const t_inputrec *ir,
 373                         matrix box)
 374 {
 375     int            nq_tot, nlj_tot, f;
 376     gmx_bool       bChargePerturbed, bTypePerturbed;
 377     double         cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve, cost_pme;
 378     float          ratio;
 379
 380     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 381      * This will be machine dependent.
 382      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 383      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 384      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 385      */
 386
 387     cost_bond = C_BOND*n_bonded_dx(mtop, TRUE);
 388
 389     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
 390     {
 391         pp_group_load(mtop, ir, box,
 392                       &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 393                       &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 394     }
 395     else
 396     {
 397         pp_verlet_load(mtop, ir, box,
 398                        &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 399                        &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 400     }
 401
 402     cost_redist = 0;
 403     cost_spread = 0;
 404     cost_fft    = 0;
 405     cost_solve  = 0;
 406
 407     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
 408     {
 409         f            = ((ir->efep != efepNO && bChargePerturbed) ? 2 : 1);
 410         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nq_tot;
 411         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nq_tot*gmx::power3(ir->pme_order);
 412         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*std::log(static_cast<real>(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz));
 413         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 414     }
 415
 416     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 417     {
 418         f            = ((ir->efep != efepNO && bTypePerturbed) ? 2 : 1);
 419         if (ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 420         {
 421             /* LB combination rule: we have 7 mesh terms */
 422             f       *= 7;
 423         }
 424         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nlj_tot;
 425         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nlj_tot*gmx::power3(ir->pme_order);
 426         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*std::log(static_cast<real>(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz));
 427         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 428     }
 429
 430     cost_pme = cost_redist + cost_spread + cost_fft + cost_solve;
 431
 432     ratio = cost_pme/(cost_bond + cost_pp + cost_pme);
 433
 434     if (debug)
 435     {
 436         fprintf(debug,
 437                 "cost_bond   %f\n"
 438                 "cost_pp     %f\n"
 439                 "cost_redist %f\n"
 440                 "cost_spread %f\n"
 441                 "cost_fft    %f\n"
 442                 "cost_solve  %f\n",
 443                 cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve);
 444
 445         fprintf(debug, "Estimate for relative PME load: %.3f\n", ratio);
 446     }
 447
 448     return ratio;
 449 }