Task assignment for bonded interactions on CUDA GPUs
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / mdrun / runner.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) 2001-2004, The GROMACS development team.
6  * Copyright (c) 2011,2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018, 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 /*! \internal \file
38  *
39  * \brief Implements the MD runner routine calling all integrators.
40  *
41  * \author David van der Spoel <david.vanderspoel@icm.uu.se>
42  * \ingroup module_mdrun
43  */
44 #include "gmxpre.h"
45
46 #include "runner.h"
47
48 #include "config.h"
49
50 #include <cassert>
51 #include <cinttypes>
52 #include <csignal>
53 #include <cstdlib>
54 #include <cstring>
55
56 #include <algorithm>
57
58 #include "gromacs/commandline/filenm.h"
59 #include "gromacs/compat/make_unique.h"
60 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
61 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
62 #include "gromacs/domdec/localatomsetmanager.h"
63 #include "gromacs/ewald/ewald-utils.h"
64 #include "gromacs/ewald/pme.h"
65 #include "gromacs/ewald/pme-gpu-program.h"
66 #include "gromacs/fileio/checkpoint.h"
67 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
68 #include "gromacs/fileio/oenv.h"
69 #include "gromacs/fileio/tpxio.h"
70 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
71 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
72 #include "gromacs/gpu_utils/clfftinitializer.h"
73 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
74 #include "gromacs/hardware/cpuinfo.h"
75 #include "gromacs/hardware/detecthardware.h"
76 #include "gromacs/hardware/printhardware.h"
77 #include "gromacs/listed-forces/disre.h"
78 #include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
79 #include "gromacs/listed-forces/orires.h"
80 #include "gromacs/math/functions.h"
81 #include "gromacs/math/utilities.h"
82 #include "gromacs/math/vec.h"
83 #include "gromacs/mdlib/boxdeformation.h"
84 #include "gromacs/mdlib/calc_verletbuf.h"
85 #include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
86 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
87 #include "gromacs/mdlib/makeconstraints.h"
88 #include "gromacs/mdlib/md_support.h"
89 #include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
90 #include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
91 #include "gromacs/mdlib/membed.h"
92 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
93 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
94 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
95 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_tuning.h"
96 #include "gromacs/mdlib/qmmm.h"
97 #include "gromacs/mdlib/sighandler.h"
98 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
99 #include "gromacs/mdlib/stophandler.h"
100 #include "gromacs/mdrun/legacymdrunoptions.h"
101 #include "gromacs/mdrun/logging.h"
102 #include "gromacs/mdrun/multisim.h"
103 #include "gromacs/mdrun/simulationcontext.h"
104 #include "gromacs/mdrunutility/mdmodules.h"
105 #include "gromacs/mdrunutility/threadaffinity.h"
106 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
107 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
108 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
109 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
110 #include "gromacs/mdtypes/observableshistory.h"
111 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
112 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
113 #include "gromacs/pulling/output.h"
114 #include "gromacs/pulling/pull.h"
115 #include "gromacs/pulling/pull_rotation.h"
116 #include "gromacs/restraint/manager.h"
117 #include "gromacs/restraint/restraintmdmodule.h"
118 #include "gromacs/restraint/restraintpotential.h"
119 #include "gromacs/swap/swapcoords.h"
120 #include "gromacs/taskassignment/decidegpuusage.h"
121 #include "gromacs/taskassignment/resourcedivision.h"
122 #include "gromacs/taskassignment/taskassignment.h"
123 #include "gromacs/taskassignment/usergpuids.h"
124 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
125 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
126 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
127 #include "gromacs/utility/basenetwork.h"
128 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
129 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
130 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
131 #include "gromacs/utility/filestream.h"
132 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
133 #include "gromacs/utility/gmxmpi.h"
134 #include "gromacs/utility/logger.h"
135 #include "gromacs/utility/loggerbuilder.h"
136 #include "gromacs/utility/physicalnodecommunicator.h"
137 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
138 #include "gromacs/utility/programcontext.h"
139 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
140 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
141
142 #include "integrator.h"
143 #include "replicaexchange.h"
144
145 #if GMX_FAHCORE
146 #include "corewrap.h"
147 #endif
148
149 namespace gmx
150 {
151
152 /*! \brief Barrier for safe simultaneous thread access to mdrunner data
153  *
154  * Used to ensure that the master thread does not modify mdrunner during copy
155  * on the spawned threads. */
156 static void threadMpiMdrunnerAccessBarrier()
157 {
158 #if GMX_THREAD_MPI
159     MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
160 #endif
161 }
162
163 Mdrunner Mdrunner::cloneOnSpawnedThread() const
164 {
165     auto newRunner = Mdrunner();
166
167     // All runners in the same process share a restraint manager resource because it is
168     // part of the interface to the client code, which is associated only with the
169     // original thread. Handles to the same resources can be obtained by copy.
170     {
171         newRunner.restraintManager_ = compat::make_unique<RestraintManager>(*restraintManager_);
172     }
173
174     // Copy original cr pointer before master thread can pass the thread barrier
175     newRunner.cr  = reinitialize_commrec_for_this_thread(cr);
176
177     // Copy members of master runner.
178     // \todo Replace with builder when Simulation context and/or runner phases are better defined.
179     // Ref https://redmine.gromacs.org/issues/2587 and https://redmine.gromacs.org/issues/2375
180     newRunner.hw_opt    = hw_opt;
181     newRunner.filenames = filenames;
182
183     newRunner.oenv                = oenv;
184     newRunner.mdrunOptions        = mdrunOptions;
185     newRunner.domdecOptions       = domdecOptions;
186     newRunner.nbpu_opt            = nbpu_opt;
187     newRunner.pme_opt             = pme_opt;
188     newRunner.pme_fft_opt         = pme_fft_opt;
189     newRunner.bonded_opt          = bonded_opt;
190     newRunner.nstlist_cmdline     = nstlist_cmdline;
191     newRunner.replExParams        = replExParams;
192     newRunner.pforce              = pforce;
193     newRunner.ms                  = ms;
194     newRunner.stopHandlerBuilder_ = compat::make_unique<StopHandlerBuilder>(*stopHandlerBuilder_);
195
196     threadMpiMdrunnerAccessBarrier();
197
198     GMX_RELEASE_ASSERT(!MASTER(newRunner.cr), "cloneOnSpawnedThread should only be called on spawned threads");
199
200     return newRunner;
201 }
202
203 /*! \brief The callback used for running on spawned threads.
204  *
205  * Obtains the pointer to the master mdrunner object from the one
206  * argument permitted to the thread-launch API call, copies it to make
207  * a new runner for this thread, reinitializes necessary data, and
208  * proceeds to the simulation. */
209 static void mdrunner_start_fn(const void *arg)
210 {
211     try
212     {
213         auto masterMdrunner = reinterpret_cast<const gmx::Mdrunner *>(arg);
214         /* copy the arg list to make sure that it's thread-local. This
215            doesn't copy pointed-to items, of course; fnm, cr and fplog
216            are reset in the call below, all others should be const. */
217         gmx::Mdrunner mdrunner = masterMdrunner->cloneOnSpawnedThread();
218         mdrunner.mdrunner();
219     }
220     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
221 }
222
223
224 /*! \brief Start thread-MPI threads.
225  *
226  * Called by mdrunner() to start a specific number of threads
227  * (including the main thread) for thread-parallel runs. This in turn
228  * calls mdrunner() for each thread. All options are the same as for
229  * mdrunner(). */
230 t_commrec *Mdrunner::spawnThreads(int numThreadsToLaunch) const
231 {
232
233     /* first check whether we even need to start tMPI */
234     if (numThreadsToLaunch < 2)
235     {
236         return cr;
237     }
238
239 #if GMX_THREAD_MPI
240     /* now spawn new threads that start mdrunner_start_fn(), while
241        the main thread returns, we set thread affinity later */
242     if (tMPI_Init_fn(TRUE, numThreadsToLaunch, TMPI_AFFINITY_NONE,
243                      mdrunner_start_fn, static_cast<const void*>(this)) != TMPI_SUCCESS)
244     {
245         GMX_THROW(gmx::InternalError("Failed to spawn thread-MPI threads"));
246     }
247
248     threadMpiMdrunnerAccessBarrier();
249 #else
250     GMX_UNUSED_VALUE(mdrunner_start_fn);
251 #endif
252
253     return reinitialize_commrec_for_this_thread(cr);
254 }
255
256 }  // namespace gmx
257
258 /*! \brief Initialize variables for Verlet scheme simulation */
259 static void prepare_verlet_scheme(FILE                           *fplog,
260                                   t_commrec                      *cr,
261                                   t_inputrec                     *ir,
262                                   int                             nstlist_cmdline,
263                                   const gmx_mtop_t               *mtop,
264                                   const matrix                    box,
265                                   bool                            makeGpuPairList,
266                                   const gmx::CpuInfo             &cpuinfo)
267 {
268     /* For NVE simulations, we will retain the initial list buffer */
269     if (EI_DYNAMICS(ir->eI) &&
270         ir->verletbuf_tol > 0 &&
271         !(EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO))
272     {
273         /* Update the Verlet buffer size for the current run setup */
274
275         /* Here we assume SIMD-enabled kernels are being used. But as currently
276          * calc_verlet_buffer_size gives the same results for 4x8 and 4x4
277          * and 4x2 gives a larger buffer than 4x4, this is ok.
278          */
279         ListSetupType      listType  = (makeGpuPairList ? ListSetupType::Gpu : ListSetupType::CpuSimdWhenSupported);
280         VerletbufListSetup listSetup = verletbufGetSafeListSetup(listType);
281
282         real               rlist_new;
283         calc_verlet_buffer_size(mtop, det(box), ir, ir->nstlist, ir->nstlist - 1, -1, &listSetup, nullptr, &rlist_new);
284
285         if (rlist_new != ir->rlist)
286         {
287             if (fplog != nullptr)
288             {
289                 fprintf(fplog, "\nChanging rlist from %g to %g for non-bonded %dx%d atom kernels\n\n",
290                         ir->rlist, rlist_new,
291                         listSetup.cluster_size_i, listSetup.cluster_size_j);
292             }
293             ir->rlist     = rlist_new;
294         }
295     }
296
297     if (nstlist_cmdline > 0 && (!EI_DYNAMICS(ir->eI) || ir->verletbuf_tol <= 0))
298     {
299         gmx_fatal(FARGS, "Can not set nstlist without %s",
300                   !EI_DYNAMICS(ir->eI) ? "dynamics" : "verlet-buffer-tolerance");
301     }
302
303     if (EI_DYNAMICS(ir->eI))
304     {
305         /* Set or try nstlist values */
306         increaseNstlist(fplog, cr, ir, nstlist_cmdline, mtop, box, makeGpuPairList, cpuinfo);
307     }
308 }
309
310 /*! \brief Override the nslist value in inputrec
311  *
312  * with value passed on the command line (if any)
313  */
314 static void override_nsteps_cmdline(const gmx::MDLogger &mdlog,
315                                     int64_t              nsteps_cmdline,
316                                     t_inputrec          *ir)
317 {
318     assert(ir);
319
320     /* override with anything else than the default -2 */
321     if (nsteps_cmdline > -2)
322     {
323         char sbuf_steps[STEPSTRSIZE];
324         char sbuf_msg[STRLEN];
325
326         ir->nsteps = nsteps_cmdline;
327         if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && nsteps_cmdline != -1)
328         {
329             sprintf(sbuf_msg, "Overriding nsteps with value passed on the command line: %s steps, %.3g ps",
330                     gmx_step_str(nsteps_cmdline, sbuf_steps),
331                     fabs(nsteps_cmdline*ir->delta_t));
332         }
333         else
334         {
335             sprintf(sbuf_msg, "Overriding nsteps with value passed on the command line: %s steps",
336                     gmx_step_str(nsteps_cmdline, sbuf_steps));
337         }
338
339         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(sbuf_msg);
340     }
341     else if (nsteps_cmdline < -2)
342     {
343         gmx_fatal(FARGS, "Invalid nsteps value passed on the command line: %" PRId64,
344                   nsteps_cmdline);
345     }
346     /* Do nothing if nsteps_cmdline == -2 */
347 }
348
349 namespace gmx
350 {
351
352 /*! \brief Return whether GPU acceleration of nonbondeds is supported with the given settings.
353  *
354  * If not, and if a warning may be issued, logs a warning about
355  * falling back to CPU code. With thread-MPI, only the first
356  * call to this function should have \c issueWarning true. */
357 static bool gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(const MDLogger   &mdlog,
358                                                const t_inputrec *ir,
359                                                bool              issueWarning)
360 {
361     if (ir->opts.ngener - ir->nwall > 1)
362     {
363         /* The GPU code does not support more than one energy group.
364          * If the user requested GPUs explicitly, a fatal error is given later.
365          */
366         if (issueWarning)
367         {
368             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph()
369                 .appendText("Multiple energy groups is not implemented for GPUs, falling back to the CPU. "
370                             "For better performance, run on the GPU without energy groups and then do "
371                             "gmx mdrun -rerun option on the trajectory with an energy group .tpr file.");
372         }
373         return false;
374     }
375     return true;
376 }
377
378 //! Initializes the logger for mdrun.
379 static gmx::LoggerOwner buildLogger(FILE *fplog, const t_commrec *cr)
380 {
381     gmx::LoggerBuilder builder;
382     if (fplog != nullptr)
383     {
384         builder.addTargetFile(gmx::MDLogger::LogLevel::Info, fplog);
385     }
386     if (cr == nullptr || SIMMASTER(cr))
387     {
388         builder.addTargetStream(gmx::MDLogger::LogLevel::Warning,
389                                 &gmx::TextOutputFile::standardError());
390     }
391     return builder.build();
392 }
393
394 //! Make a TaskTarget from an mdrun argument string.
395 static TaskTarget findTaskTarget(const char *optionString)
396 {
397     TaskTarget returnValue = TaskTarget::Auto;
398
399     if (strncmp(optionString, "auto", 3) == 0)
400     {
401         returnValue = TaskTarget::Auto;
402     }
403     else if (strncmp(optionString, "cpu", 3) == 0)
404     {
405         returnValue = TaskTarget::Cpu;
406     }
407     else if (strncmp(optionString, "gpu", 3) == 0)
408     {
409         returnValue = TaskTarget::Gpu;
410     }
411     else
412     {
413         GMX_ASSERT(false, "Option string should have been checked for sanity already");
414     }
415
416     return returnValue;
417 }
418
419 int Mdrunner::mdrunner()
420 {
421     matrix                    box;
422     t_nrnb                   *nrnb;
423     t_forcerec               *fr               = nullptr;
424     t_fcdata                 *fcd              = nullptr;
425     real                      ewaldcoeff_q     = 0;
426     real                      ewaldcoeff_lj    = 0;
427     int                       nChargePerturbed = -1, nTypePerturbed = 0;
428     gmx_wallcycle_t           wcycle;
429     gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting = nullptr;
430     int                       rc;
431     int64_t                   reset_counters;
432     int                       nthreads_pme = 1;
433     gmx_membed_t *            membed       = nullptr;
434     gmx_hw_info_t            *hwinfo       = nullptr;
435
436     /* CAUTION: threads may be started later on in this function, so
437        cr doesn't reflect the final parallel state right now */
438     std::unique_ptr<gmx::MDModules> mdModules(new gmx::MDModules);
439     t_inputrec                      inputrecInstance;
440     t_inputrec                     *inputrec = &inputrecInstance;
441     gmx_mtop_t                      mtop;
442
443     bool doMembed = opt2bSet("-membed", filenames.size(), filenames.data());
444     bool doRerun  = mdrunOptions.rerun;
445
446     // Handle task-assignment related user options.
447     EmulateGpuNonbonded emulateGpuNonbonded = (getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr ?
448                                                EmulateGpuNonbonded::Yes : EmulateGpuNonbonded::No);
449     std::vector<int>    gpuIdsAvailable;
450     try
451     {
452         gpuIdsAvailable = parseUserGpuIds(hw_opt.gpuIdsAvailable);
453         // TODO We could put the GPU IDs into a std::map to find
454         // duplicates, but for the small numbers of IDs involved, this
455         // code is simple and fast.
456         for (size_t i = 0; i != gpuIdsAvailable.size(); ++i)
457         {
458             for (size_t j = i+1; j != gpuIdsAvailable.size(); ++j)
459             {
460                 if (gpuIdsAvailable[i] == gpuIdsAvailable[j])
461                 {
462                     GMX_THROW(InvalidInputError(formatString("The string of available GPU device IDs '%s' may not contain duplicate device IDs", hw_opt.gpuIdsAvailable.c_str())));
463                 }
464             }
465         }
466     }
467     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
468
469     std::vector<int> userGpuTaskAssignment;
470     try
471     {
472         userGpuTaskAssignment = parseUserGpuIds(hw_opt.userGpuTaskAssignment);
473     }
474     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
475     auto       nonbondedTarget = findTaskTarget(nbpu_opt);
476     auto       pmeTarget       = findTaskTarget(pme_opt);
477     auto       pmeFftTarget    = findTaskTarget(pme_fft_opt);
478     auto       bondedTarget    = findTaskTarget(bonded_opt);
479     PmeRunMode pmeRunMode      = PmeRunMode::None;
480
481     // Here we assume that SIMMASTER(cr) does not change even after the
482     // threads are started.
483
484     FILE *fplog = nullptr;
485     // If we are appending, we don't write log output because we need
486     // to check that the old log file matches what the checkpoint file
487     // expects. Otherwise, we should start to write log output now if
488     // there is a file ready for it.
489     if (logFileHandle != nullptr && !mdrunOptions.continuationOptions.appendFiles)
490     {
491         fplog = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
492     }
493     gmx::LoggerOwner logOwner(buildLogger(fplog, cr));
494     gmx::MDLogger    mdlog(logOwner.logger());
495
496     // TODO The thread-MPI master rank makes a working
497     // PhysicalNodeCommunicator here, but it gets rebuilt by all ranks
498     // after the threads have been launched. This works because no use
499     // is made of that communicator until after the execution paths
500     // have rejoined. But it is likely that we can improve the way
501     // this is expressed, e.g. by expressly running detection only the
502     // master rank for thread-MPI, rather than relying on the mutex
503     // and reference count.
504     PhysicalNodeCommunicator physicalNodeComm(MPI_COMM_WORLD, gmx_physicalnode_id_hash());
505     hwinfo = gmx_detect_hardware(mdlog, physicalNodeComm);
506
507     gmx_print_detected_hardware(fplog, cr, ms, mdlog, hwinfo);
508
509     std::vector<int> gpuIdsToUse;
510     auto             compatibleGpus = getCompatibleGpus(hwinfo->gpu_info);
511     if (gpuIdsAvailable.empty())
512     {
513         gpuIdsToUse = compatibleGpus;
514     }
515     else
516     {
517         for (const auto &availableGpuId : gpuIdsAvailable)
518         {
519             bool availableGpuIsCompatible = false;
520             for (const auto &compatibleGpuId : compatibleGpus)
521             {
522                 if (availableGpuId == compatibleGpuId)
523                 {
524                     availableGpuIsCompatible = true;
525                     break;
526                 }
527             }
528             if (!availableGpuIsCompatible)
529             {
530                 gmx_fatal(FARGS, "You limited the set of compatible GPUs to a set that included ID #%d, but that ID is not for a compatible GPU. List only compatible GPUs.", availableGpuId);
531             }
532             gpuIdsToUse.push_back(availableGpuId);
533         }
534     }
535
536     if (fplog != nullptr)
537     {
538         /* Print references after all software/hardware printing */
539         please_cite(fplog, "Abraham2015");
540         please_cite(fplog, "Pall2015");
541         please_cite(fplog, "Pronk2013");
542         please_cite(fplog, "Hess2008b");
543         please_cite(fplog, "Spoel2005a");
544         please_cite(fplog, "Lindahl2001a");
545         please_cite(fplog, "Berendsen95a");
546         writeSourceDoi(fplog);
547     }
548
549     std::unique_ptr<t_state> globalState;
550
551     if (SIMMASTER(cr))
552     {
553         /* Only the master rank has the global state */
554         globalState = compat::make_unique<t_state>();
555
556         /* Read (nearly) all data required for the simulation */
557         read_tpx_state(ftp2fn(efTPR, filenames.size(), filenames.data()), inputrec, globalState.get(), &mtop);
558
559         /* In rerun, set velocities to zero if present */
560         if (doRerun && ((globalState->flags & (1 << estV)) != 0))
561         {
562             // rerun does not use velocities
563             GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().appendText(
564                     "Rerun trajectory contains velocities. Rerun does only evaluate "
565                     "potential energy and forces. The velocities will be ignored.");
566             for (int i = 0; i < globalState->natoms; i++)
567             {
568                 clear_rvec(globalState->v[i]);
569             }
570             globalState->flags &= ~(1 << estV);
571         }
572
573         if (inputrec->cutoff_scheme != ecutsVERLET)
574         {
575             if (nstlist_cmdline > 0)
576             {
577                 gmx_fatal(FARGS, "Can not set nstlist with the group cut-off scheme");
578             }
579
580             if (!compatibleGpus.empty())
581             {
582                 GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(
583                         "NOTE: GPU(s) found, but the current simulation can not use GPUs\n"
584                         "      To use a GPU, set the mdp option: cutoff-scheme = Verlet");
585             }
586         }
587     }
588
589     /* Check and update the hardware options for internal consistency */
590     check_and_update_hw_opt_1(mdlog, &hw_opt, cr, domdecOptions.numPmeRanks);
591
592     /* Early check for externally set process affinity. */
593     gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, cr,
594                                   &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, FALSE);
595
596     if (GMX_THREAD_MPI && SIMMASTER(cr))
597     {
598         if (domdecOptions.numPmeRanks > 0 && hw_opt.nthreads_tmpi <= 0)
599         {
600             gmx_fatal(FARGS, "You need to explicitly specify the number of MPI threads (-ntmpi) when using separate PME ranks");
601         }
602
603         /* Since the master knows the cut-off scheme, update hw_opt for this.
604          * This is done later for normal MPI and also once more with tMPI
605          * for all tMPI ranks.
606          */
607         check_and_update_hw_opt_2(&hw_opt, inputrec->cutoff_scheme);
608
609         bool useGpuForNonbonded = false;
610         bool useGpuForPme       = false;
611         try
612         {
613             // If the user specified the number of ranks, then we must
614             // respect that, but in default mode, we need to allow for
615             // the number of GPUs to choose the number of ranks.
616
617             useGpuForNonbonded = decideWhetherToUseGpusForNonbondedWithThreadMpi
618                     (nonbondedTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, emulateGpuNonbonded,
619                     inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET,
620                     gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, inputrec, GMX_THREAD_MPI),
621                     hw_opt.nthreads_tmpi);
622             auto canUseGpuForPme   = pme_gpu_supports_build(nullptr) && pme_gpu_supports_input(*inputrec, mtop, nullptr);
623             useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPmeWithThreadMpi
624                     (useGpuForNonbonded, pmeTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment,
625                     canUseGpuForPme, hw_opt.nthreads_tmpi, domdecOptions.numPmeRanks);
626
627         }
628         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
629
630         /* Determine how many thread-MPI ranks to start.
631          *
632          * TODO Over-writing the user-supplied value here does
633          * prevent any possible subsequent checks from working
634          * correctly. */
635         hw_opt.nthreads_tmpi = get_nthreads_mpi(hwinfo,
636                                                 &hw_opt,
637                                                 gpuIdsToUse,
638                                                 useGpuForNonbonded,
639                                                 useGpuForPme,
640                                                 inputrec, &mtop,
641                                                 mdlog,
642                                                 doMembed);
643
644         // Now start the threads for thread MPI.
645         cr = spawnThreads(hw_opt.nthreads_tmpi);
646         /* The main thread continues here with a new cr. We don't deallocate
647            the old cr because other threads may still be reading it. */
648         // TODO Both master and spawned threads call dup_tfn and
649         // reinitialize_commrec_for_this_thread. Find a way to express
650         // this better.
651         physicalNodeComm = PhysicalNodeCommunicator(MPI_COMM_WORLD, gmx_physicalnode_id_hash());
652     }
653     // END OF CAUTION: cr and physicalNodeComm are now reliable
654
655     if (PAR(cr))
656     {
657         /* now broadcast everything to the non-master nodes/threads: */
658         init_parallel(cr, inputrec, &mtop);
659     }
660
661     // Now each rank knows the inputrec that SIMMASTER read and used,
662     // and (if applicable) cr->nnodes has been assigned the number of
663     // thread-MPI ranks that have been chosen. The ranks can now all
664     // run the task-deciding functions and will agree on the result
665     // without needing to communicate.
666     //
667     // TODO Should we do the communication in debug mode to support
668     // having an assertion?
669     //
670     // Note that these variables describe only their own node.
671     //
672     // Note that when bonded interactions run on a GPU they always run
673     // alongside a nonbonded task, so do not influence task assignment
674     // even though they affect the force calculation schedule.
675     bool useGpuForNonbonded = false;
676     bool useGpuForPme       = false;
677     bool useGpuForBonded    = false;
678     try
679     {
680         // It's possible that there are different numbers of GPUs on
681         // different nodes, which is the user's responsibilty to
682         // handle. If unsuitable, we will notice that during task
683         // assignment.
684         bool gpusWereDetected  = hwinfo->ngpu_compatible_tot > 0;
685         bool usingVerletScheme = inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET;
686         useGpuForNonbonded = decideWhetherToUseGpusForNonbonded(nonbondedTarget, userGpuTaskAssignment,
687                                                                 emulateGpuNonbonded, usingVerletScheme,
688                                                                 gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, inputrec, !GMX_THREAD_MPI),
689                                                                 gpusWereDetected);
690         auto canUseGpuForPme   = pme_gpu_supports_build(nullptr) && pme_gpu_supports_input(*inputrec, mtop, nullptr);
691         useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPme(useGpuForNonbonded, pmeTarget, userGpuTaskAssignment,
692                                                     canUseGpuForPme, cr->nnodes, domdecOptions.numPmeRanks,
693                                                     gpusWereDetected);
694         auto canUseGpuForBonded = buildSupportsGpuBondeds(nullptr) && inputSupportsGpuBondeds(*inputrec, mtop, nullptr);
695         useGpuForBonded =
696             decideWhetherToUseGpusForBonded(useGpuForNonbonded, useGpuForPme, usingVerletScheme,
697                                             bondedTarget, canUseGpuForBonded, cr->nnodes,
698                                             domdecOptions.numPmeRanks, gpusWereDetected);
699
700         pmeRunMode   = (useGpuForPme ? PmeRunMode::GPU : PmeRunMode::CPU);
701         if (pmeRunMode == PmeRunMode::GPU)
702         {
703             if (pmeFftTarget == TaskTarget::Cpu)
704             {
705                 pmeRunMode = PmeRunMode::Mixed;
706             }
707         }
708         else if (pmeFftTarget == TaskTarget::Gpu)
709         {
710             gmx_fatal(FARGS, "Assigning FFTs to GPU requires PME to be assigned to GPU as well. With PME on CPU you should not be using -pmefft.");
711         }
712     }
713     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
714
715     // Build restraints.
716     // TODO: hide restraint implementation details from Mdrunner.
717     // There is nothing unique about restraints at this point as far as the
718     // Mdrunner is concerned. The Mdrunner should just be getting a sequence of
719     // factory functions from the SimulationContext on which to call mdModules->add().
720     // TODO: capture all restraints into a single RestraintModule, passed to the runner builder.
721     for (auto && restraint : restraintManager_->getRestraints())
722     {
723         auto module = RestraintMDModule::create(restraint,
724                                                 restraint->sites());
725         mdModules->add(std::move(module));
726     }
727
728     // TODO: Error handling
729     mdModules->assignOptionsToModules(*inputrec->params, nullptr);
730
731     if (fplog != nullptr)
732     {
733         pr_inputrec(fplog, 0, "Input Parameters", inputrec, FALSE);
734         fprintf(fplog, "\n");
735     }
736
737     if (SIMMASTER(cr))
738     {
739         /* now make sure the state is initialized and propagated */
740         set_state_entries(globalState.get(), inputrec);
741     }
742
743     /* NM and TPI parallelize over force/energy calculations, not atoms,
744      * so we need to initialize and broadcast the global state.
745      */
746     if (inputrec->eI == eiNM || inputrec->eI == eiTPI)
747     {
748         if (!MASTER(cr))
749         {
750             globalState = compat::make_unique<t_state>();
751         }
752         broadcastStateWithoutDynamics(cr, globalState.get());
753     }
754
755     /* A parallel command line option consistency check that we can
756        only do after any threads have started. */
757     if (!PAR(cr) && (domdecOptions.numCells[XX] > 1 ||
758                      domdecOptions.numCells[YY] > 1 ||
759                      domdecOptions.numCells[ZZ] > 1 ||
760                      domdecOptions.numPmeRanks > 0))
761     {
762         gmx_fatal(FARGS,
763                   "The -dd or -npme option request a parallel simulation, "
764 #if !GMX_MPI
765                   "but %s was compiled without threads or MPI enabled", output_env_get_program_display_name(oenv));
766 #else
767 #if GMX_THREAD_MPI
768                   "but the number of MPI-threads (option -ntmpi) is not set or is 1");
769 #else
770                   "but %s was not started through mpirun/mpiexec or only one rank was requested through mpirun/mpiexec", output_env_get_program_display_name(oenv));
771 #endif
772 #endif
773     }
774
775     if (doRerun &&
776         (EI_ENERGY_MINIMIZATION(inputrec->eI) || eiNM == inputrec->eI))
777     {
778         gmx_fatal(FARGS, "The .mdp file specified an energy mininization or normal mode algorithm, and these are not compatible with mdrun -rerun");
779     }
780
781     if (can_use_allvsall(inputrec, TRUE, cr, fplog) && DOMAINDECOMP(cr))
782     {
783         gmx_fatal(FARGS, "All-vs-all loops do not work with domain decomposition, use a single MPI rank");
784     }
785
786     if (!(EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype)))
787     {
788         if (domdecOptions.numPmeRanks > 0)
789         {
790             gmx_fatal_collective(FARGS, cr->mpi_comm_mysim, MASTER(cr),
791                                  "PME-only ranks are requested, but the system does not use PME for electrostatics or LJ");
792         }
793
794         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
795     }
796
797     if (useGpuForNonbonded && domdecOptions.numPmeRanks < 0)
798     {
799         /* With NB GPUs we don't automatically use PME-only CPU ranks. PME ranks can
800          * improve performance with many threads per GPU, since our OpenMP
801          * scaling is bad, but it's difficult to automate the setup.
802          */
803         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
804     }
805     if (useGpuForPme)
806     {
807         if (domdecOptions.numPmeRanks < 0)
808         {
809             domdecOptions.numPmeRanks = 0;
810             // TODO possibly print a note that one can opt-in for a separate PME GPU rank?
811         }
812         else
813         {
814             GMX_RELEASE_ASSERT(domdecOptions.numPmeRanks <= 1, "PME GPU decomposition is not supported");
815         }
816     }
817
818 #if GMX_FAHCORE
819     if (MASTER(cr))
820     {
821         fcRegisterSteps(inputrec->nsteps, inputrec->init_step);
822     }
823 #endif
824
825     /* NMR restraints must be initialized before load_checkpoint,
826      * since with time averaging the history is added to t_state.
827      * For proper consistency check we therefore need to extend
828      * t_state here.
829      * So the PME-only nodes (if present) will also initialize
830      * the distance restraints.
831      */
832     snew(fcd, 1);
833
834     /* This needs to be called before read_checkpoint to extend the state */
835     init_disres(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, fcd, globalState.get(), replExParams.exchangeInterval > 0);
836
837     init_orires(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, globalState.get(), &(fcd->orires));
838
839     auto                 deform = prepareBoxDeformation(globalState->box, cr, *inputrec);
840
841     ObservablesHistory   observablesHistory = {};
842
843     ContinuationOptions &continuationOptions = mdrunOptions.continuationOptions;
844
845     if (continuationOptions.startedFromCheckpoint)
846     {
847         /* Check if checkpoint file exists before doing continuation.
848          * This way we can use identical input options for the first and subsequent runs...
849          */
850         gmx_bool bReadEkin;
851
852         load_checkpoint(opt2fn_master("-cpi", filenames.size(), filenames.data(), cr),
853                         logFileHandle,
854                         cr, domdecOptions.numCells,
855                         inputrec, globalState.get(),
856                         &bReadEkin, &observablesHistory,
857                         continuationOptions.appendFiles,
858                         continuationOptions.appendFilesOptionSet,
859                         mdrunOptions.reproducible);
860
861         if (bReadEkin)
862         {
863             continuationOptions.haveReadEkin = true;
864         }
865
866         if (continuationOptions.appendFiles && logFileHandle)
867         {
868             // Now we can start normal logging to the truncated log file.
869             fplog    = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
870             prepareLogAppending(cr->nodeid, cr->nnodes, fplog);
871             logOwner = buildLogger(fplog, cr);
872             mdlog    = logOwner.logger();
873         }
874     }
875
876     if (mdrunOptions.numStepsCommandline > -2)
877     {
878         GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
879             appendText("The -nsteps functionality is deprecated, and may be removed in a future version. "
880                        "Consider using gmx convert-tpr -nsteps or changing the appropriate .mdp file field.");
881     }
882     /* override nsteps with value set on the commamdline */
883     override_nsteps_cmdline(mdlog, mdrunOptions.numStepsCommandline, inputrec);
884
885     if (SIMMASTER(cr))
886     {
887         copy_mat(globalState->box, box);
888     }
889
890     if (PAR(cr))
891     {
892         gmx_bcast(sizeof(box), box, cr);
893     }
894
895     /* Update rlist and nstlist. */
896     if (inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
897     {
898         prepare_verlet_scheme(fplog, cr, inputrec, nstlist_cmdline, &mtop, box,
899                               useGpuForNonbonded || (emulateGpuNonbonded == EmulateGpuNonbonded::Yes), *hwinfo->cpuInfo);
900     }
901
902     LocalAtomSetManager atomSets;
903
904     if (PAR(cr) && !(EI_TPI(inputrec->eI) ||
905                      inputrec->eI == eiNM))
906     {
907         cr->dd = init_domain_decomposition(mdlog, cr, domdecOptions, mdrunOptions,
908                                            &mtop, inputrec,
909                                            box, positionsFromStatePointer(globalState.get()),
910                                            &atomSets);
911         // Note that local state still does not exist yet.
912     }
913     else
914     {
915         /* PME, if used, is done on all nodes with 1D decomposition */
916         cr->npmenodes = 0;
917         cr->duty      = (DUTY_PP | DUTY_PME);
918
919         if (inputrec->ePBC == epbcSCREW)
920         {
921             gmx_fatal(FARGS,
922                       "pbc=screw is only implemented with domain decomposition");
923         }
924     }
925
926     if (PAR(cr))
927     {
928         /* After possible communicator splitting in make_dd_communicators.
929          * we can set up the intra/inter node communication.
930          */
931         gmx_setup_nodecomm(fplog, cr);
932     }
933
934 #if GMX_MPI
935     if (isMultiSim(ms))
936     {
937         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendTextFormatted(
938                 "This is simulation %d out of %d running as a composite GROMACS\n"
939                 "multi-simulation job. Setup for this simulation:\n",
940                 ms->sim, ms->nsim);
941     }
942     GMX_LOG(mdlog.warning).appendTextFormatted(
943             "Using %d MPI %s\n",
944             cr->nnodes,
945 #if GMX_THREAD_MPI
946             cr->nnodes == 1 ? "thread" : "threads"
947 #else
948             cr->nnodes == 1 ? "process" : "processes"
949 #endif
950             );
951     fflush(stderr);
952 #endif
953
954     /* Check and update hw_opt for the cut-off scheme */
955     check_and_update_hw_opt_2(&hw_opt, inputrec->cutoff_scheme);
956
957     /* Check and update the number of OpenMP threads requested */
958     checkAndUpdateRequestedNumOpenmpThreads(&hw_opt, *hwinfo, cr, ms, physicalNodeComm.size_,
959                                             pmeRunMode, mtop);
960
961     gmx_omp_nthreads_init(mdlog, cr,
962                           hwinfo->nthreads_hw_avail,
963                           physicalNodeComm.size_,
964                           hw_opt.nthreads_omp,
965                           hw_opt.nthreads_omp_pme,
966                           !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP),
967                           inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET);
968
969     // Enable FP exception detection for the Verlet scheme, but not in
970     // Release mode and not for compilers with known buggy FP
971     // exception support (clang with any optimization) or suspected
972     // buggy FP exception support (gcc 7.* with optimization).
973 #if !defined NDEBUG && \
974     !((defined __clang__ || (defined(__GNUC__) && !defined(__ICC) && __GNUC__ == 7)) \
975     && defined __OPTIMIZE__)
976     const bool bEnableFPE = inputrec->cutoff_scheme == ecutsVERLET;
977 #else
978     const bool bEnableFPE = false;
979 #endif
980     //FIXME - reconcile with gmx_feenableexcept() call from CommandLineModuleManager::run()
981     if (bEnableFPE)
982     {
983         gmx_feenableexcept();
984     }
985
986     // Build a data structure that expresses which kinds of non-bonded
987     // task are handled by this rank.
988     //
989     // TODO Later, this might become a loop over all registered modules
990     // relevant to the mdp inputs, to find those that have such tasks.
991     //
992     // TODO This could move before init_domain_decomposition() as part
993     // of refactoring that separates the responsibility for duty
994     // assignment from setup for communication between tasks, and
995     // setup for tasks handled with a domain (ie including short-ranged
996     // tasks, bonded tasks, etc.).
997     //
998     // Note that in general useGpuForNonbonded, etc. can have a value
999     // that is inconsistent with the presence of actual GPUs on any
1000     // rank, and that is not known to be a problem until the
1001     // duty of the ranks on a node become known.
1002     //
1003     // TODO Later we might need the concept of computeTasksOnThisRank,
1004     // from which we construct gpuTasksOnThisRank.
1005     //
1006     // Currently the DD code assigns duty to ranks that can
1007     // include PP work that currently can be executed on a single
1008     // GPU, if present and compatible.  This has to be coordinated
1009     // across PP ranks on a node, with possible multiple devices
1010     // or sharing devices on a node, either from the user
1011     // selection, or automatically.
1012     auto                 haveGpus = !gpuIdsToUse.empty();
1013     std::vector<GpuTask> gpuTasksOnThisRank;
1014     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1015     {
1016         if (useGpuForNonbonded)
1017         {
1018             // Note that any bonded tasks on a GPU always accompany a
1019             // non-bonded task.
1020             if (haveGpus)
1021             {
1022                 gpuTasksOnThisRank.push_back(GpuTask::Nonbonded);
1023             }
1024             else if (nonbondedTarget == TaskTarget::Gpu)
1025             {
1026                 gmx_fatal(FARGS, "Cannot run short-ranged nonbonded interactions on a GPU because there is none detected.");
1027             }
1028             else if (bondedTarget == TaskTarget::Gpu)
1029             {
1030                 gmx_fatal(FARGS, "Cannot run bonded interactions on a GPU because there is none detected.");
1031             }
1032         }
1033     }
1034     // TODO cr->duty & DUTY_PME should imply that a PME algorithm is active, but currently does not.
1035     if (EEL_PME(inputrec->coulombtype) && (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME)))
1036     {
1037         if (useGpuForPme)
1038         {
1039             if (haveGpus)
1040             {
1041                 gpuTasksOnThisRank.push_back(GpuTask::Pme);
1042             }
1043             else if (pmeTarget == TaskTarget::Gpu)
1044             {
1045                 gmx_fatal(FARGS, "Cannot run PME on a GPU because there is none detected.");
1046             }
1047         }
1048     }
1049
1050     GpuTaskAssignment gpuTaskAssignment;
1051     try
1052     {
1053         // Produce the task assignment for this rank.
1054         gpuTaskAssignment = runTaskAssignment(gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, *hwinfo,
1055                                               mdlog, cr, ms, physicalNodeComm, gpuTasksOnThisRank,
1056                                               useGpuForBonded, pmeRunMode);
1057     }
1058     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1059
1060     /* Prevent other ranks from continuing after an issue was found
1061      * and reported as a fatal error.
1062      *
1063      * TODO This function implements a barrier so that MPI runtimes
1064      * can organize an orderly shutdown if one of the ranks has had to
1065      * issue a fatal error in various code already run. When we have
1066      * MPI-aware error handling and reporting, this should be
1067      * improved. */
1068 #if GMX_MPI
1069     if (PAR(cr))
1070     {
1071         MPI_Barrier(cr->mpi_comm_mysim);
1072     }
1073     if (isMultiSim(ms))
1074     {
1075         if (SIMMASTER(cr))
1076         {
1077             MPI_Barrier(ms->mpi_comm_masters);
1078         }
1079         /* We need another barrier to prevent non-master ranks from contiuing
1080          * when an error occured in a different simulation.
1081          */
1082         MPI_Barrier(cr->mpi_comm_mysim);
1083     }
1084 #endif
1085
1086     /* Now that we know the setup is consistent, check for efficiency */
1087     check_resource_division_efficiency(hwinfo, !gpuTaskAssignment.empty(), mdrunOptions.ntompOptionIsSet,
1088                                        cr, mdlog);
1089
1090     gmx_device_info_t *nonbondedDeviceInfo = nullptr;
1091
1092     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1093     {
1094         // This works because only one task of each type is currently permitted.
1095         auto nbGpuTaskMapping = std::find_if(gpuTaskAssignment.begin(), gpuTaskAssignment.end(),
1096                                              hasTaskType<GpuTask::Nonbonded>);
1097         if (nbGpuTaskMapping != gpuTaskAssignment.end())
1098         {
1099             int nonbondedDeviceId = nbGpuTaskMapping->deviceId_;
1100             nonbondedDeviceInfo = getDeviceInfo(hwinfo->gpu_info, nonbondedDeviceId);
1101             init_gpu(nonbondedDeviceInfo);
1102
1103             if (DOMAINDECOMP(cr))
1104             {
1105                 /* When we share GPUs over ranks, we need to know this for the DLB */
1106                 dd_setup_dlb_resource_sharing(cr, nonbondedDeviceId);
1107             }
1108
1109         }
1110     }
1111
1112     std::unique_ptr<ClfftInitializer> initializedClfftLibrary;
1113
1114     gmx_device_info_t                *pmeDeviceInfo = nullptr;
1115     // Later, this program could contain kernels that might be later
1116     // re-used as auto-tuning progresses, or subsequent simulations
1117     // are invoked.
1118     PmeGpuProgramStorage pmeGpuProgram;
1119     // This works because only one task of each type is currently permitted.
1120     auto                 pmeGpuTaskMapping     = std::find_if(gpuTaskAssignment.begin(), gpuTaskAssignment.end(), hasTaskType<GpuTask::Pme>);
1121     const bool           thisRankHasPmeGpuTask = (pmeGpuTaskMapping != gpuTaskAssignment.end());
1122     if (thisRankHasPmeGpuTask)
1123     {
1124         pmeDeviceInfo = getDeviceInfo(hwinfo->gpu_info, pmeGpuTaskMapping->deviceId_);
1125         init_gpu(pmeDeviceInfo);
1126         pmeGpuProgram = buildPmeGpuProgram(pmeDeviceInfo);
1127         // TODO It would be nice to move this logic into the factory
1128         // function. See Redmine #2535.
1129         bool isMasterThread = !GMX_THREAD_MPI || MASTER(cr);
1130         if (pmeRunMode == PmeRunMode::GPU && !initializedClfftLibrary && isMasterThread)
1131         {
1132             initializedClfftLibrary = initializeClfftLibrary();
1133         }
1134     }
1135
1136     /* getting number of PP/PME threads
1137        PME: env variable should be read only on one node to make sure it is
1138        identical everywhere;
1139      */
1140     nthreads_pme = gmx_omp_nthreads_get(emntPME);
1141
1142     int numThreadsOnThisRank;
1143     /* threads on this MPI process or TMPI thread */
1144     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1145     {
1146         numThreadsOnThisRank = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
1147     }
1148     else
1149     {
1150         numThreadsOnThisRank = nthreads_pme;
1151     }
1152
1153     checkHardwareOversubscription(numThreadsOnThisRank, cr->nodeid,
1154                                   *hwinfo->hardwareTopology,
1155                                   physicalNodeComm, mdlog);
1156
1157     if (hw_opt.thread_affinity != threadaffOFF)
1158     {
1159         /* Before setting affinity, check whether the affinity has changed
1160          * - which indicates that probably the OpenMP library has changed it
1161          * since we first checked).
1162          */
1163         gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, cr,
1164                                       &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, TRUE);
1165
1166         int numThreadsOnThisNode, intraNodeThreadOffset;
1167         analyzeThreadsOnThisNode(physicalNodeComm, numThreadsOnThisRank, &numThreadsOnThisNode,
1168                                  &intraNodeThreadOffset);
1169
1170         /* Set the CPU affinity */
1171         gmx_set_thread_affinity(mdlog, cr, &hw_opt, *hwinfo->hardwareTopology,
1172                                 numThreadsOnThisRank, numThreadsOnThisNode,
1173                                 intraNodeThreadOffset, nullptr);
1174     }
1175
1176     if (mdrunOptions.timingOptions.resetStep > -1)
1177     {
1178         GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
1179             appendText("The -resetstep functionality is deprecated, and may be removed in a future version.");
1180     }
1181     wcycle = wallcycle_init(fplog, mdrunOptions.timingOptions.resetStep, cr);
1182
1183     if (PAR(cr))
1184     {
1185         /* Master synchronizes its value of reset_counters with all nodes
1186          * including PME only nodes */
1187         reset_counters = wcycle_get_reset_counters(wcycle);
1188         gmx_bcast_sim(sizeof(reset_counters), &reset_counters, cr);
1189         wcycle_set_reset_counters(wcycle, reset_counters);
1190     }
1191
1192     // Membrane embedding must be initialized before we call init_forcerec()
1193     if (doMembed)
1194     {
1195         if (MASTER(cr))
1196         {
1197             fprintf(stderr, "Initializing membed");
1198         }
1199         /* Note that membed cannot work in parallel because mtop is
1200          * changed here. Fix this if we ever want to make it run with
1201          * multiple ranks. */
1202         membed = init_membed(fplog, filenames.size(), filenames.data(), &mtop, inputrec, globalState.get(), cr,
1203                              &mdrunOptions
1204                                  .checkpointOptions.period);
1205     }
1206
1207     std::unique_ptr<MDAtoms>     mdAtoms;
1208     std::unique_ptr<gmx_vsite_t> vsite;
1209
1210     snew(nrnb, 1);
1211     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1212     {
1213         /* Initiate forcerecord */
1214         fr                 = mk_forcerec();
1215         fr->forceProviders = mdModules->initForceProviders();
1216         init_forcerec(fplog, mdlog, fr, fcd,
1217                       inputrec, &mtop, cr, box,
1218                       opt2fn("-table", filenames.size(), filenames.data()),
1219                       opt2fn("-tablep", filenames.size(), filenames.data()),
1220                       opt2fns("-tableb", filenames.size(), filenames.data()),
1221                       *hwinfo, nonbondedDeviceInfo,
1222                       useGpuForBonded,
1223                       FALSE,
1224                       pforce);
1225
1226         /* Initialize QM-MM */
1227         if (fr->bQMMM)
1228         {
1229             GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
1230                 appendText("Large parts of the QM/MM support is deprecated, and may be removed in a future "
1231                            "version. Please get in touch with the developers if you find the support useful, "
1232                            "as help is needed if the functionality is to continue to be available.");
1233             init_QMMMrec(cr, &mtop, inputrec, fr);
1234         }
1235
1236         /* Initialize the mdAtoms structure.
1237          * mdAtoms is not filled with atom data,
1238          * as this can not be done now with domain decomposition.
1239          */
1240         mdAtoms = makeMDAtoms(fplog, mtop, *inputrec, thisRankHasPmeGpuTask);
1241         if (globalState && thisRankHasPmeGpuTask)
1242         {
1243             // The pinning of coordinates in the global state object works, because we only use
1244             // PME on GPU without DD or on a separate PME rank, and because the local state pointer
1245             // points to the global state object without DD.
1246             // FIXME: MD and EM separately set up the local state - this should happen in the same function,
1247             // which should also perform the pinning.
1248             changePinningPolicy(&globalState->x, pme_get_pinning_policy());
1249         }
1250
1251         /* Initialize the virtual site communication */
1252         vsite = initVsite(mtop, cr);
1253
1254         calc_shifts(box, fr->shift_vec);
1255
1256         /* With periodic molecules the charge groups should be whole at start up
1257          * and the virtual sites should not be far from their proper positions.
1258          */
1259         if (!inputrec->bContinuation && MASTER(cr) &&
1260             !(inputrec->ePBC != epbcNONE && inputrec->bPeriodicMols))
1261         {
1262             /* Make molecules whole at start of run */
1263             if (fr->ePBC != epbcNONE)
1264             {
1265                 do_pbc_first_mtop(fplog, inputrec->ePBC, box, &mtop, globalState->x.rvec_array());
1266             }
1267             if (vsite)
1268             {
1269                 /* Correct initial vsite positions are required
1270                  * for the initial distribution in the domain decomposition
1271                  * and for the initial shell prediction.
1272                  */
1273                 constructVsitesGlobal(mtop, globalState->x);
1274             }
1275         }
1276
1277         if (EEL_PME(fr->ic->eeltype) || EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1278         {
1279             ewaldcoeff_q  = fr->ic->ewaldcoeff_q;
1280             ewaldcoeff_lj = fr->ic->ewaldcoeff_lj;
1281         }
1282     }
1283     else
1284     {
1285         /* This is a PME only node */
1286
1287         GMX_ASSERT(globalState == nullptr, "We don't need the state on a PME only rank and expect it to be unitialized");
1288
1289         ewaldcoeff_q  = calc_ewaldcoeff_q(inputrec->rcoulomb, inputrec->ewald_rtol);
1290         ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(inputrec->rvdw, inputrec->ewald_rtol_lj);
1291     }
1292
1293     gmx_pme_t *sepPmeData = nullptr;
1294     // This reference hides the fact that PME data is owned by runner on PME-only ranks and by forcerec on other ranks
1295     GMX_ASSERT(thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) == (fr != nullptr), "Double-checking that only PME-only ranks have no forcerec");
1296     gmx_pme_t * &pmedata = fr ? fr->pmedata : sepPmeData;
1297
1298     /* Initiate PME if necessary,
1299      * either on all nodes or on dedicated PME nodes only. */
1300     if (EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1301     {
1302         if (mdAtoms && mdAtoms->mdatoms())
1303         {
1304             nChargePerturbed = mdAtoms->mdatoms()->nChargePerturbed;
1305             if (EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1306             {
1307                 nTypePerturbed   = mdAtoms->mdatoms()->nTypePerturbed;
1308             }
1309         }
1310         if (cr->npmenodes > 0)
1311         {
1312             /* The PME only nodes need to know nChargePerturbed(FEP on Q) and nTypePerturbed(FEP on LJ)*/
1313             gmx_bcast_sim(sizeof(nChargePerturbed), &nChargePerturbed, cr);
1314             gmx_bcast_sim(sizeof(nTypePerturbed), &nTypePerturbed, cr);
1315         }
1316
1317         if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
1318         {
1319             try
1320             {
1321                 pmedata = gmx_pme_init(cr,
1322                                        getNumPmeDomains(cr->dd),
1323                                        inputrec,
1324                                        mtop.natoms, nChargePerturbed != 0, nTypePerturbed != 0,
1325                                        mdrunOptions.reproducible,
1326                                        ewaldcoeff_q, ewaldcoeff_lj,
1327                                        nthreads_pme,
1328                                        pmeRunMode, nullptr,
1329                                        pmeDeviceInfo, pmeGpuProgram.get(), mdlog);
1330             }
1331             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1332         }
1333     }
1334
1335
1336     if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI))
1337     {
1338         /* Turn on signal handling on all nodes */
1339         /*
1340          * (A user signal from the PME nodes (if any)
1341          * is communicated to the PP nodes.
1342          */
1343         signal_handler_install();
1344     }
1345
1346     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1347     {
1348         /* Assumes uniform use of the number of OpenMP threads */
1349         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntDefault));
1350
1351         if (inputrec->bPull)
1352         {
1353             /* Initialize pull code */
1354             inputrec->pull_work =
1355                 init_pull(fplog, inputrec->pull, inputrec,
1356                           &mtop, cr, &atomSets, inputrec->fepvals->init_lambda);
1357             if (inputrec->pull->bXOutAverage || inputrec->pull->bFOutAverage)
1358             {
1359                 initPullHistory(inputrec->pull_work, &observablesHistory);
1360             }
1361             if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && MASTER(cr))
1362             {
1363                 init_pull_output_files(inputrec->pull_work,
1364                                        filenames.size(), filenames.data(), oenv,
1365                                        continuationOptions);
1366             }
1367         }
1368
1369         std::unique_ptr<EnforcedRotation> enforcedRotation;
1370         if (inputrec->bRot)
1371         {
1372             /* Initialize enforced rotation code */
1373             enforcedRotation = init_rot(fplog,
1374                                         inputrec,
1375                                         filenames.size(),
1376                                         filenames.data(),
1377                                         cr,
1378                                         &atomSets,
1379                                         globalState.get(),
1380                                         &mtop,
1381                                         oenv,
1382                                         mdrunOptions);
1383         }
1384
1385         if (inputrec->eSwapCoords != eswapNO)
1386         {
1387             /* Initialize ion swapping code */
1388             init_swapcoords(fplog, inputrec, opt2fn_master("-swap", filenames.size(), filenames.data(), cr),
1389                             &mtop, globalState.get(), &observablesHistory,
1390                             cr, &atomSets, oenv, mdrunOptions);
1391         }
1392
1393         /* Let makeConstraints know whether we have essential dynamics constraints.
1394          * TODO: inputrec should tell us whether we use an algorithm, not a file option or the checkpoint
1395          */
1396         bool doEssentialDynamics = (opt2fn_null("-ei", filenames.size(), filenames.data()) != nullptr
1397                                     || observablesHistory.edsamHistory);
1398         auto constr              = makeConstraints(mtop, *inputrec, doEssentialDynamics,
1399                                                    fplog, *mdAtoms->mdatoms(),
1400                                                    cr, *ms, nrnb, wcycle, fr->bMolPBC);
1401
1402         if (DOMAINDECOMP(cr))
1403         {
1404             GMX_RELEASE_ASSERT(fr, "fr was NULL while cr->duty was DUTY_PP");
1405             /* This call is not included in init_domain_decomposition mainly
1406              * because fr->cginfo_mb is set later.
1407              */
1408             dd_init_bondeds(fplog, cr->dd, &mtop, vsite.get(), inputrec,
1409                             domdecOptions.checkBondedInteractions,
1410                             fr->cginfo_mb);
1411         }
1412
1413         GMX_ASSERT(stopHandlerBuilder_, "Runner must provide StopHandlerBuilder to integrator.");
1414         /* Now do whatever the user wants us to do (how flexible...) */
1415         Integrator integrator {
1416             fplog, cr, ms, mdlog, static_cast<int>(filenames.size()), filenames.data(),
1417             oenv,
1418             mdrunOptions,
1419             vsite.get(), constr.get(),
1420             enforcedRotation ? enforcedRotation->getLegacyEnfrot() : nullptr,
1421             deform.get(),
1422             mdModules->outputProvider(),
1423             inputrec, &mtop,
1424             fcd,
1425             globalState.get(),
1426             &observablesHistory,
1427             mdAtoms.get(), nrnb, wcycle, fr,
1428             replExParams,
1429             membed,
1430             walltime_accounting,
1431             std::move(stopHandlerBuilder_)
1432         };
1433         integrator.run(inputrec->eI, doRerun);
1434
1435         if (inputrec->bPull)
1436         {
1437             finish_pull(inputrec->pull_work);
1438         }
1439
1440     }
1441     else
1442     {
1443         GMX_RELEASE_ASSERT(pmedata, "pmedata was NULL while cr->duty was not DUTY_PP");
1444         /* do PME only */
1445         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntPME));
1446         gmx_pmeonly(pmedata, cr, nrnb, wcycle, walltime_accounting, inputrec, pmeRunMode);
1447     }
1448
1449     wallcycle_stop(wcycle, ewcRUN);
1450
1451     /* Finish up, write some stuff
1452      * if rerunMD, don't write last frame again
1453      */
1454     finish_run(fplog, mdlog, cr,
1455                inputrec, nrnb, wcycle, walltime_accounting,
1456                fr ? fr->nbv : nullptr,
1457                pmedata,
1458                EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && !isMultiSim(ms));
1459
1460     // Free PME data
1461     if (pmedata)
1462     {
1463         gmx_pme_destroy(pmedata);
1464         pmedata = nullptr;
1465     }
1466
1467     // FIXME: this is only here to manually unpin mdAtoms->chargeA_ and state->x,
1468     // before we destroy the GPU context(s) in free_gpu_resources().
1469     // Pinned buffers are associated with contexts in CUDA.
1470     // As soon as we destroy GPU contexts after mdrunner() exits, these lines should go.
1471     mdAtoms.reset(nullptr);
1472     globalState.reset(nullptr);
1473     mdModules.reset(nullptr);   // destruct force providers here as they might also use the GPU
1474
1475     /* Free GPU memory and set a physical node tMPI barrier (which should eventually go away) */
1476     free_gpu_resources(fr, physicalNodeComm);
1477     free_gpu(nonbondedDeviceInfo);
1478     free_gpu(pmeDeviceInfo);
1479     done_forcerec(fr, mtop.molblock.size(), mtop.groups.grps[egcENER].nr);
1480     sfree(fcd);
1481
1482     if (doMembed)
1483     {
1484         free_membed(membed);
1485     }
1486
1487     gmx_hardware_info_free();
1488
1489     /* Does what it says */
1490     print_date_and_time(fplog, cr->nodeid, "Finished mdrun", gmx_gettime());
1491     walltime_accounting_destroy(walltime_accounting);
1492     sfree(nrnb);
1493
1494     // Ensure log file content is written
1495     if (logFileHandle)
1496     {
1497         gmx_fio_flush(logFileHandle);
1498     }
1499
1500     /* Reset FPEs (important for unit tests) by disabling them. Assumes no
1501      * exceptions were enabled before function was called. */
1502     if (bEnableFPE)
1503     {
1504         gmx_fedisableexcept();
1505     }
1506
1507     rc = static_cast<int>(gmx_get_stop_condition());
1508
1509 #if GMX_THREAD_MPI
1510     /* we need to join all threads. The sub-threads join when they
1511        exit this function, but the master thread needs to be told to
1512        wait for that. */
1513     if (PAR(cr) && MASTER(cr))
1514     {
1515         done_commrec(cr);
1516         tMPI_Finalize();
1517     }
1518 #endif
1519
1520     return rc;
1521 }
1522
1523 Mdrunner::~Mdrunner()
1524 {
1525     // Clean up of the Manager.
1526     // This will end up getting called on every thread-MPI rank, which is unnecessary,
1527     // but okay as long as threads synchronize some time before adding or accessing
1528     // a new set of restraints.
1529     if (restraintManager_)
1530     {
1531         restraintManager_->clear();
1532         GMX_ASSERT(restraintManager_->countRestraints() == 0,
1533                    "restraints added during runner life time should be cleared at runner destruction.");
1534     }
1535 };
1536
1537 void Mdrunner::addPotential(std::shared_ptr<gmx::IRestraintPotential> puller,
1538                             std::string                               name)
1539 {
1540     GMX_ASSERT(restraintManager_, "Mdrunner must have a restraint manager.");
1541     // Not sure if this should be logged through the md logger or something else,
1542     // but it is helpful to have some sort of INFO level message sent somewhere.
1543     //    std::cout << "Registering restraint named " << name << std::endl;
1544
1545     // When multiple restraints are used, it may be wasteful to register them separately.
1546     // Maybe instead register an entire Restraint Manager as a force provider.
1547     restraintManager_->addToSpec(std::move(puller),
1548                                  std::move(name));
1549 }
1550
1551 Mdrunner::Mdrunner(Mdrunner &&) noexcept = default;
1552
1553 //NOLINTNEXTLINE(performance-noexcept-move-constructor) working around GCC bug 58265
1554 Mdrunner &Mdrunner::operator=(Mdrunner && /*handle*/) noexcept(BUGFREE_NOEXCEPT_STRING) = default;
1555
1556 class Mdrunner::BuilderImplementation
1557 {
1558     public:
1559         BuilderImplementation() = delete;
1560         explicit BuilderImplementation(SimulationContext* context);
1561         ~BuilderImplementation();
1562
1563         BuilderImplementation &setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions &options,
1564                                                     real                forceWarningThreshold);
1565
1566         void addDomdec(const DomdecOptions &options);
1567
1568         void addVerletList(int nstlist);
1569
1570         void addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters &params);
1571
1572         void addMultiSim(gmx_multisim_t* multisim);
1573
1574         void addNonBonded(const char* nbpu_opt);
1575
1576         void addPME(const char* pme_opt_, const char* pme_fft_opt_);
1577
1578         void addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt);
1579
1580         void addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t &hardwareOptions);
1581
1582         void addFilenames(ArrayRef <const t_filenm> filenames);
1583
1584         void addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment);
1585
1586         void addLogFile(t_fileio *logFileHandle);
1587
1588         void addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder);
1589
1590         Mdrunner build();
1591
1592     private:
1593         // Default parameters copied from runner.h
1594         // \todo Clarify source(s) of default parameters.
1595
1596         const char* nbpu_opt_    = nullptr;
1597         const char* pme_opt_     = nullptr;
1598         const char* pme_fft_opt_ = nullptr;
1599         const char *bonded_opt_  = nullptr;
1600
1601         MdrunOptions                          mdrunOptions_;
1602
1603         DomdecOptions                         domdecOptions_;
1604
1605         ReplicaExchangeParameters             replicaExchangeParameters_;
1606
1607         //! Command-line override for the duration of a neighbor list with the Verlet scheme.
1608         int         nstlist_ = 0;
1609
1610         //! Non-owning multisim communicator handle.
1611         std::unique_ptr<gmx_multisim_t*>      multisim_ = nullptr;
1612
1613         //! Print a warning if any force is larger than this (in kJ/mol nm).
1614         real forceWarningThreshold_ = -1;
1615
1616         /*! \brief  Non-owning pointer to SimulationContext (owned and managed by client)
1617          *
1618          * \internal
1619          * \todo Establish robust protocol to make sure resources remain valid.
1620          * SimulationContext will likely be separated into multiple layers for
1621          * different levels of access and different phases of execution. Ref
1622          * https://redmine.gromacs.org/issues/2375
1623          * https://redmine.gromacs.org/issues/2587
1624          */
1625         SimulationContext* context_ = nullptr;
1626
1627         //! \brief Parallelism information.
1628         gmx_hw_opt_t hardwareOptions_;
1629
1630         //! filename options for simulation.
1631         ArrayRef<const t_filenm> filenames_;
1632
1633         /*! \brief Handle to output environment.
1634          *
1635          * \todo gmx_output_env_t needs lifetime management.
1636          */
1637         gmx_output_env_t*    outputEnvironment_ = nullptr;
1638
1639         /*! \brief Non-owning handle to MD log file.
1640          *
1641          * \todo Context should own output facilities for client.
1642          * \todo Improve log file handle management.
1643          * \internal
1644          * Code managing the FILE* relies on the ability to set it to
1645          * nullptr to check whether the filehandle is valid.
1646          */
1647         t_fileio* logFileHandle_ = nullptr;
1648
1649         /*!
1650          * \brief Builder for simulation stop signal handler.
1651          */
1652         std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> stopHandlerBuilder_ = nullptr;
1653 };
1654
1655 Mdrunner::BuilderImplementation::BuilderImplementation(SimulationContext* context) :
1656     context_(context)
1657 {
1658     GMX_ASSERT(context_, "Bug found. It should not be possible to construct builder without a valid context.");
1659 }
1660
1661 Mdrunner::BuilderImplementation::~BuilderImplementation() = default;
1662
1663 Mdrunner::BuilderImplementation &
1664 Mdrunner::BuilderImplementation::setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions &options,
1665                                                       real                forceWarningThreshold)
1666 {
1667     mdrunOptions_          = options;
1668     forceWarningThreshold_ = forceWarningThreshold;
1669     return *this;
1670 }
1671
1672 void Mdrunner::BuilderImplementation::addDomdec(const DomdecOptions &options)
1673 {
1674     domdecOptions_ = options;
1675 }
1676
1677 void Mdrunner::BuilderImplementation::addVerletList(int nstlist)
1678 {
1679     nstlist_ = nstlist;
1680 }
1681
1682 void Mdrunner::BuilderImplementation::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters &params)
1683 {
1684     replicaExchangeParameters_ = params;
1685 }
1686
1687 void Mdrunner::BuilderImplementation::addMultiSim(gmx_multisim_t* multisim)
1688 {
1689     multisim_ = compat::make_unique<gmx_multisim_t*>(multisim);
1690 }
1691
1692 Mdrunner Mdrunner::BuilderImplementation::build()
1693 {
1694     auto newRunner = Mdrunner();
1695
1696     GMX_ASSERT(context_, "Bug found. It should not be possible to call build() without a valid context.");
1697
1698     newRunner.mdrunOptions    = mdrunOptions_;
1699     newRunner.domdecOptions   = domdecOptions_;
1700
1701     // \todo determine an invariant to check or confirm that all gmx_hw_opt_t objects are valid
1702     newRunner.hw_opt          = hardwareOptions_;
1703
1704     // No invariant to check. This parameter exists to optionally override other behavior.
1705     newRunner.nstlist_cmdline = nstlist_;
1706
1707     newRunner.replExParams    = replicaExchangeParameters_;
1708
1709     newRunner.filenames = filenames_;
1710
1711     GMX_ASSERT(context_->communicationRecord_, "SimulationContext communications not initialized.");
1712     newRunner.cr = context_->communicationRecord_;
1713
1714     if (multisim_)
1715     {
1716         // nullptr is a valid value for the multisim handle, so we don't check the pointed-to pointer.
1717         newRunner.ms = *multisim_;
1718     }
1719     else
1720     {
1721         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addMultiSim() is required before build()"));
1722     }
1723
1724     // \todo Clarify ownership and lifetime management for gmx_output_env_t
1725     // \todo Update sanity checking when output environment has clearly specified invariants.
1726     // Initialization and default values for oenv are not well specified in the current version.
1727     if (outputEnvironment_)
1728     {
1729         newRunner.oenv  = outputEnvironment_;
1730     }
1731     else
1732     {
1733         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment() is required before build()"));
1734     }
1735
1736     newRunner.logFileHandle = logFileHandle_;
1737
1738     if (nbpu_opt_)
1739     {
1740         newRunner.nbpu_opt    = nbpu_opt_;
1741     }
1742     else
1743     {
1744         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addNonBonded() is required before build()"));
1745     }
1746
1747     if (pme_opt_ && pme_fft_opt_)
1748     {
1749         newRunner.pme_opt     = pme_opt_;
1750         newRunner.pme_fft_opt = pme_fft_opt_;
1751     }
1752     else
1753     {
1754         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addElectrostatics() is required before build()"));
1755     }
1756
1757     if (bonded_opt_)
1758     {
1759         newRunner.bonded_opt = bonded_opt_;
1760     }
1761     else
1762     {
1763         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment() is required before build()"));
1764     }
1765
1766     newRunner.restraintManager_ = compat::make_unique<gmx::RestraintManager>();
1767
1768     if (stopHandlerBuilder_)
1769     {
1770         newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::move(stopHandlerBuilder_);
1771     }
1772     else
1773     {
1774         newRunner.stopHandlerBuilder_ = compat::make_unique<StopHandlerBuilder>();
1775     }
1776
1777     return newRunner;
1778 }
1779
1780 void Mdrunner::BuilderImplementation::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
1781 {
1782     nbpu_opt_ = nbpu_opt;
1783 }
1784
1785 void Mdrunner::BuilderImplementation::addPME(const char* pme_opt,
1786                                              const char* pme_fft_opt)
1787 {
1788     pme_opt_     = pme_opt;
1789     pme_fft_opt_ = pme_fft_opt;
1790 }
1791
1792 void Mdrunner::BuilderImplementation::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
1793 {
1794     bonded_opt_ = bonded_opt;
1795 }
1796
1797 void Mdrunner::BuilderImplementation::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t &hardwareOptions)
1798 {
1799     hardwareOptions_ = hardwareOptions;
1800 }
1801
1802 void Mdrunner::BuilderImplementation::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
1803 {
1804     filenames_ = filenames;
1805 }
1806
1807 void Mdrunner::BuilderImplementation::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
1808 {
1809     outputEnvironment_ = outputEnvironment;
1810 }
1811
1812 void Mdrunner::BuilderImplementation::addLogFile(t_fileio *logFileHandle)
1813 {
1814     logFileHandle_ = logFileHandle;
1815 }
1816
1817 void Mdrunner::BuilderImplementation::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
1818 {
1819     stopHandlerBuilder_ = std::move(builder);
1820 }
1821
1822 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(compat::not_null<SimulationContext*> context) :
1823     impl_ {gmx::compat::make_unique<Mdrunner::BuilderImplementation>(context)}
1824 {
1825 }
1826
1827 MdrunnerBuilder::~MdrunnerBuilder() = default;
1828
1829 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addSimulationMethod(const MdrunOptions &options,
1830                                                       real                forceWarningThreshold)
1831 {
1832     impl_->setExtraMdrunOptions(options, forceWarningThreshold);
1833     return *this;
1834 }
1835
1836 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addDomainDecomposition(const DomdecOptions &options)
1837 {
1838     impl_->addDomdec(options);
1839     return *this;
1840 }
1841
1842 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addNeighborList(int nstlist)
1843 {
1844     impl_->addVerletList(nstlist);
1845     return *this;
1846 }
1847
1848 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters &params)
1849 {
1850     impl_->addReplicaExchange(params);
1851     return *this;
1852 }
1853
1854 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addMultiSim(gmx_multisim_t* multisim)
1855 {
1856     impl_->addMultiSim(multisim);
1857     return *this;
1858 }
1859
1860 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
1861 {
1862     impl_->addNonBonded(nbpu_opt);
1863     return *this;
1864 }
1865
1866 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addElectrostatics(const char* pme_opt,
1867                                                     const char* pme_fft_opt)
1868 {
1869     // The builder method may become more general in the future, but in this version,
1870     // parameters for PME electrostatics are both required and the only parameters
1871     // available.
1872     if (pme_opt && pme_fft_opt)
1873     {
1874         impl_->addPME(pme_opt, pme_fft_opt);
1875     }
1876     else
1877     {
1878         GMX_THROW(gmx::InvalidInputError("addElectrostatics() arguments must be non-null pointers."));
1879     }
1880     return *this;
1881 }
1882
1883 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
1884 {
1885     impl_->addBondedTaskAssignment(bonded_opt);
1886     return *this;
1887 }
1888
1889 Mdrunner MdrunnerBuilder::build()
1890 {
1891     return impl_->build();
1892 }
1893
1894 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t &hardwareOptions)
1895 {
1896     impl_->addHardwareOptions(hardwareOptions);
1897     return *this;
1898 }
1899
1900 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
1901 {
1902     impl_->addFilenames(filenames);
1903     return *this;
1904 }
1905
1906 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
1907 {
1908     impl_->addOutputEnvironment(outputEnvironment);
1909     return *this;
1910 }
1911
1912 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addLogFile(t_fileio *logFileHandle)
1913 {
1914     impl_->addLogFile(logFileHandle);
1915     return *this;
1916 }
1917
1918 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
1919 {
1920     impl_->addStopHandlerBuilder(std::move(builder));
1921     return *this;
1922 }
1923
1924 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(MdrunnerBuilder &&) noexcept = default;
1925
1926 MdrunnerBuilder &MdrunnerBuilder::operator=(MdrunnerBuilder &&) noexcept = default;
1927
1928 } // namespace gmx