src/gromacs/mdlib/update_constrain_gpu_impl.cu

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
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  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
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  13  *
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  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \internal \file
  36  *
  37  * \brief Implements update and constraints class using CUDA.
  38  *
  39  * The class combines Leap-Frog integrator with LINCS and SETTLE constraints.
  40  *
  41  * \todo The computational procedures in members should be integrated to improve
  42  *       computational performance.
  43  *
  44  * \author Artem Zhmurov <zhmurov@gmail.com>
  45  *
  46  * \ingroup module_mdlib
  47  */
  48 #include "gmxpre.h"
  49
  50 #include "update_constrain_gpu_impl.h"
  51
  52 #include <assert.h>
  53 #include <stdio.h>
  54
  55 #include <cmath>
  56
  57 #include <algorithm>
  58
  59 #include "gromacs/gpu_utils/cudautils.cuh"
  60 #include "gromacs/gpu_utils/device_context.h"
  61 #include "gromacs/gpu_utils/device_stream.h"
  62 #include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer.h"
  63 #include "gromacs/gpu_utils/gputraits.cuh"
  64 #include "gromacs/gpu_utils/vectype_ops.cuh"
  65 #include "gromacs/mdlib/leapfrog_gpu.cuh"
  66 #include "gromacs/mdlib/lincs_gpu.cuh"
  67 #include "gromacs/mdlib/settle_gpu.cuh"
  68 #include "gromacs/mdlib/update_constrain_gpu.h"
  69 #include "gromacs/mdtypes/mdatom.h"
  70
  71 namespace gmx
  72 {
  73 /*!\brief Number of CUDA threads in a block
  74  *
  75  * \todo Check if using smaller block size will lead to better prformance.
  76  */
  77 constexpr static int c_threadsPerBlock = 256;
  78 //! Maximum number of threads in a block (for __launch_bounds__)
  79 constexpr static int c_maxThreadsPerBlock = c_threadsPerBlock;
  80
  81 /*! \brief Scaling matrix struct.
  82  *
  83  * \todo Should be generalized.
  84  */
  85 struct ScalingMatrix
  86 {
  87     float xx, yy, zz, yx, zx, zy;
  88 };
  89
  90 __launch_bounds__(c_maxThreadsPerBlock) __global__
  91         static void scaleCoordinates_kernel(const int numAtoms,
  92                                             float3* __restrict__ gm_x,
  93                                             const ScalingMatrix scalingMatrix)
  94 {
  95     int threadIndex = blockIdx.x * blockDim.x + threadIdx.x;
  96     if (threadIndex < numAtoms)
  97     {
  98         float3 x = gm_x[threadIndex];
  99
 100         x.x = scalingMatrix.xx * x.x + scalingMatrix.yx * x.y + scalingMatrix.zx * x.z;
 101         x.y = scalingMatrix.yy * x.y + scalingMatrix.zy * x.z;
 102         x.z = scalingMatrix.zz * x.z;
 103
 104         gm_x[threadIndex] = x;
 105     }
 106 }
 107
 108 void UpdateConstrainGpu::Impl::integrate(GpuEventSynchronizer*             fReadyOnDevice,
 109                                          const real                        dt,
 110                                          const bool                        updateVelocities,
 111                                          const bool                        computeVirial,
 112                                          tensor                            virial,
 113                                          const bool                        doTemperatureScaling,
 114                                          gmx::ArrayRef<const t_grp_tcstat> tcstat,
 115                                          const bool                        doParrinelloRahman,
 116                                          const float                       dtPressureCouple,
 117                                          const matrix                      prVelocityScalingMatrix)
 118 {
 119     // Clearing virial matrix
 120     // TODO There is no point in having separate virial matrix for constraints
 121     clear_mat(virial);
 122
 123     // Make sure that the forces are ready on device before proceeding with the update.
 124     fReadyOnDevice->enqueueWaitEvent(deviceStream_);
 125
 126     // The integrate should save a copy of the current coordinates in d_xp_ and write updated
 127     // once into d_x_. The d_xp_ is only needed by constraints.
 128     integrator_->integrate(d_x_, d_xp_, d_v_, d_f_, dt, doTemperatureScaling, tcstat,
 129                            doParrinelloRahman, dtPressureCouple, prVelocityScalingMatrix);
 130     // Constraints need both coordinates before (d_x_) and after (d_xp_) update. However, after constraints
 131     // are applied, the d_x_ can be discarded. So we intentionally swap the d_x_ and d_xp_ here to avoid the
 132     // d_xp_ -> d_x_ copy after constraints. Note that the integrate saves them in the wrong order as well.
 133     lincsGpu_->apply(d_xp_, d_x_, updateVelocities, d_v_, 1.0 / dt, computeVirial, virial, pbcAiuc_);
 134     settleGpu_->apply(d_xp_, d_x_, updateVelocities, d_v_, 1.0 / dt, computeVirial, virial, pbcAiuc_);
 135
 136     // scaledVirial -> virial (methods above returns scaled values)
 137     float scaleFactor = 0.5f / (dt * dt);
 138     for (int i = 0; i < DIM; i++)
 139     {
 140         for (int j = 0; j < DIM; j++)
 141         {
 142             virial[i][j] = scaleFactor * virial[i][j];
 143         }
 144     }
 145
 146     coordinatesReady_->markEvent(deviceStream_);
 147
 148     return;
 149 }
 150
 151 void UpdateConstrainGpu::Impl::scaleCoordinates(const matrix scalingMatrix)
 152 {
 153     ScalingMatrix mu;
 154     mu.xx = scalingMatrix[XX][XX];
 155     mu.yy = scalingMatrix[YY][YY];
 156     mu.zz = scalingMatrix[ZZ][ZZ];
 157     mu.yx = scalingMatrix[YY][XX];
 158     mu.zx = scalingMatrix[ZZ][XX];
 159     mu.zy = scalingMatrix[ZZ][YY];
 160
 161     const auto kernelArgs = prepareGpuKernelArguments(
 162             scaleCoordinates_kernel, coordinateScalingKernelLaunchConfig_, &numAtoms_, &d_x_, &mu);
 163     launchGpuKernel(scaleCoordinates_kernel, coordinateScalingKernelLaunchConfig_, deviceStream_,
 164                     nullptr, "scaleCoordinates_kernel", kernelArgs);
 165     // TODO: Although this only happens on the pressure coupling steps, this synchronization
 166     //       can affect the perfornamce if nstpcouple is small.
 167     deviceStream_.synchronize();
 168 }
 169
 170 void UpdateConstrainGpu::Impl::scaleVelocities(const matrix scalingMatrix)
 171 {
 172     ScalingMatrix mu;
 173     mu.xx = scalingMatrix[XX][XX];
 174     mu.yy = scalingMatrix[YY][YY];
 175     mu.zz = scalingMatrix[ZZ][ZZ];
 176     mu.yx = scalingMatrix[YY][XX];
 177     mu.zx = scalingMatrix[ZZ][XX];
 178     mu.zy = scalingMatrix[ZZ][YY];
 179
 180     const auto kernelArgs = prepareGpuKernelArguments(
 181             scaleCoordinates_kernel, coordinateScalingKernelLaunchConfig_, &numAtoms_, &d_v_, &mu);
 182     launchGpuKernel(scaleCoordinates_kernel, coordinateScalingKernelLaunchConfig_, deviceStream_,
 183                     nullptr, "scaleCoordinates_kernel", kernelArgs);
 184     // TODO: Although this only happens on the pressure coupling steps, this synchronization
 185     //       can affect the perfornamce if nstpcouple is small.
 186     deviceStream_.synchronize();
 187 }
 188
 189 UpdateConstrainGpu::Impl::Impl(const t_inputrec&     ir,
 190                                const gmx_mtop_t&     mtop,
 191                                const DeviceContext&  deviceContext,
 192                                const DeviceStream&   deviceStream,
 193                                GpuEventSynchronizer* xUpdatedOnDevice) :
 194     deviceContext_(deviceContext),
 195     deviceStream_(deviceStream),
 196     coordinatesReady_(xUpdatedOnDevice)
 197 {
 198     GMX_ASSERT(xUpdatedOnDevice != nullptr, "The event synchronizer can not be nullptr.");
 199
 200
 201     integrator_ = std::make_unique<LeapFrogGpu>(deviceContext_, deviceStream_);
 202     lincsGpu_ = std::make_unique<LincsGpu>(ir.nLincsIter, ir.nProjOrder, deviceContext_, deviceStream_);
 203     settleGpu_ = std::make_unique<SettleGpu>(mtop, deviceContext_, deviceStream_);
 204
 205     coordinateScalingKernelLaunchConfig_.blockSize[0]     = c_threadsPerBlock;
 206     coordinateScalingKernelLaunchConfig_.blockSize[1]     = 1;
 207     coordinateScalingKernelLaunchConfig_.blockSize[2]     = 1;
 208     coordinateScalingKernelLaunchConfig_.sharedMemorySize = 0;
 209 }
 210
 211 UpdateConstrainGpu::Impl::~Impl() {}
 212
 213 void UpdateConstrainGpu::Impl::set(DeviceBuffer<RVec>            d_x,
 214                                    DeviceBuffer<RVec>            d_v,
 215                                    const DeviceBuffer<RVec>      d_f,
 216                                    const InteractionDefinitions& idef,
 217                                    const t_mdatoms&              md,
 218                                    const int                     numTempScaleValues)
 219 {
 220     GMX_ASSERT(d_x != nullptr, "Coordinates device buffer should not be null.");
 221     GMX_ASSERT(d_v != nullptr, "Velocities device buffer should not be null.");
 222     GMX_ASSERT(d_f != nullptr, "Forces device buffer should not be null.");
 223
 224     d_x_ = reinterpret_cast<float3*>(d_x);
 225     d_v_ = reinterpret_cast<float3*>(d_v);
 226     d_f_ = reinterpret_cast<float3*>(d_f);
 227
 228     numAtoms_ = md.nr;
 229
 230     reallocateDeviceBuffer(&d_xp_, numAtoms_, &numXp_, &numXpAlloc_, deviceContext_);
 231
 232     reallocateDeviceBuffer(&d_inverseMasses_, numAtoms_, &numInverseMasses_,
 233                            &numInverseMassesAlloc_, deviceContext_);
 234
 235     // Integrator should also update something, but it does not even have a method yet
 236     integrator_->set(numAtoms_, md.invmass, numTempScaleValues, md.cTC);
 237     lincsGpu_->set(idef, numAtoms_, md.invmass);
 238     settleGpu_->set(idef);
 239
 240     coordinateScalingKernelLaunchConfig_.gridSize[0] =
 241             (numAtoms_ + c_threadsPerBlock - 1) / c_threadsPerBlock;
 242 }
 243
 244 void UpdateConstrainGpu::Impl::setPbc(const PbcType pbcType, const matrix box)
 245 {
 246     setPbcAiuc(numPbcDimensions(pbcType), box, &pbcAiuc_);
 247 }
 248
 249 GpuEventSynchronizer* UpdateConstrainGpu::Impl::getCoordinatesReadySync()
 250 {
 251     return coordinatesReady_;
 252 }
 253
 254 UpdateConstrainGpu::UpdateConstrainGpu(const t_inputrec&     ir,
 255                                        const gmx_mtop_t&     mtop,
 256                                        const DeviceContext&  deviceContext,
 257                                        const DeviceStream&   deviceStream,
 258                                        GpuEventSynchronizer* xUpdatedOnDevice) :
 259     impl_(new Impl(ir, mtop, deviceContext, deviceStream, xUpdatedOnDevice))
 260 {
 261 }
 262
 263 UpdateConstrainGpu::~UpdateConstrainGpu() = default;
 264
 265 void UpdateConstrainGpu::integrate(GpuEventSynchronizer*             fReadyOnDevice,
 266                                    const real                        dt,
 267                                    const bool                        updateVelocities,
 268                                    const bool                        computeVirial,
 269                                    tensor                            virialScaled,
 270                                    const bool                        doTemperatureScaling,
 271                                    gmx::ArrayRef<const t_grp_tcstat> tcstat,
 272                                    const bool                        doParrinelloRahman,
 273                                    const float                       dtPressureCouple,
 274                                    const matrix                      prVelocityScalingMatrix)
 275 {
 276     impl_->integrate(fReadyOnDevice, dt, updateVelocities, computeVirial, virialScaled, doTemperatureScaling,
 277                      tcstat, doParrinelloRahman, dtPressureCouple, prVelocityScalingMatrix);
 278 }
 279
 280 void UpdateConstrainGpu::scaleCoordinates(const matrix scalingMatrix)
 281 {
 282     impl_->scaleCoordinates(scalingMatrix);
 283 }
 284
 285 void UpdateConstrainGpu::scaleVelocities(const matrix scalingMatrix)
 286 {
 287     impl_->scaleVelocities(scalingMatrix);
 288 }
 289
 290 void UpdateConstrainGpu::set(DeviceBuffer<RVec>            d_x,
 291                              DeviceBuffer<RVec>            d_v,
 292                              const DeviceBuffer<RVec>      d_f,
 293                              const InteractionDefinitions& idef,
 294                              const t_mdatoms&              md,
 295                              const int                     numTempScaleValues)
 296 {
 297     impl_->set(d_x, d_v, d_f, idef, md, numTempScaleValues);
 298 }
 299
 300 void UpdateConstrainGpu::setPbc(const PbcType pbcType, const matrix box)
 301 {
 302     impl_->setPbc(pbcType, box);
 303 }
 304
 305 GpuEventSynchronizer* UpdateConstrainGpu::getCoordinatesReadySync()
 306 {
 307     return impl_->getCoordinatesReadySync();
 308 }
 309
 310 bool UpdateConstrainGpu::isNumCoupledConstraintsSupported(const gmx_mtop_t& mtop)
 311 {
 312     return LincsGpu::isNumCoupledConstraintsSupported(mtop);
 313 }
 314
 315 } // namespace gmx