Clean up ewald module internals
[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) 2011-2019,2020, 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 #include <memory>
58
59 #include "gromacs/commandline/filenm.h"
60 #include "gromacs/domdec/builder.h"
61 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
62 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
63 #include "gromacs/domdec/gpuhaloexchange.h"
64 #include "gromacs/domdec/localatomsetmanager.h"
65 #include "gromacs/domdec/partition.h"
66 #include "gromacs/ewald/ewald_utils.h"
67 #include "gromacs/ewald/pme_gpu_program.h"
68 #include "gromacs/ewald/pme_only.h"
69 #include "gromacs/ewald/pme_pp_comm_gpu.h"
70 #include "gromacs/fileio/checkpoint.h"
71 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
72 #include "gromacs/fileio/oenv.h"
73 #include "gromacs/fileio/tpxio.h"
74 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
75 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
76 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
77 #include "gromacs/hardware/cpuinfo.h"
78 #include "gromacs/hardware/detecthardware.h"
79 #include "gromacs/hardware/printhardware.h"
80 #include "gromacs/imd/imd.h"
81 #include "gromacs/listed_forces/disre.h"
82 #include "gromacs/listed_forces/gpubonded.h"
83 #include "gromacs/listed_forces/orires.h"
84 #include "gromacs/math/functions.h"
85 #include "gromacs/math/utilities.h"
86 #include "gromacs/math/vec.h"
87 #include "gromacs/mdlib/boxdeformation.h"
88 #include "gromacs/mdlib/broadcaststructs.h"
89 #include "gromacs/mdlib/calc_verletbuf.h"
90 #include "gromacs/mdlib/dispersioncorrection.h"
91 #include "gromacs/mdlib/enerdata_utils.h"
92 #include "gromacs/mdlib/force.h"
93 #include "gromacs/mdlib/forcerec.h"
94 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
95 #include "gromacs/mdlib/makeconstraints.h"
96 #include "gromacs/mdlib/md_support.h"
97 #include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
98 #include "gromacs/mdlib/membed.h"
99 #include "gromacs/mdlib/qmmm.h"
100 #include "gromacs/mdlib/sighandler.h"
101 #include "gromacs/mdlib/stophandler.h"
102 #include "gromacs/mdlib/updategroups.h"
103 #include "gromacs/mdrun/mdmodules.h"
104 #include "gromacs/mdrun/simulationcontext.h"
105 #include "gromacs/mdrunutility/handlerestart.h"
106 #include "gromacs/mdrunutility/logging.h"
107 #include "gromacs/mdrunutility/multisim.h"
108 #include "gromacs/mdrunutility/printtime.h"
109 #include "gromacs/mdrunutility/threadaffinity.h"
110 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
111 #include "gromacs/mdtypes/enerdata.h"
112 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
113 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
114 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
115 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
116 #include "gromacs/mdtypes/mdrunoptions.h"
117 #include "gromacs/mdtypes/observableshistory.h"
118 #include "gromacs/mdtypes/simulation_workload.h"
119 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
120 #include "gromacs/mdtypes/state_propagator_data_gpu.h"
121 #include "gromacs/nbnxm/gpu_data_mgmt.h"
122 #include "gromacs/nbnxm/nbnxm.h"
123 #include "gromacs/nbnxm/pairlist_tuning.h"
124 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
125 #include "gromacs/pulling/output.h"
126 #include "gromacs/pulling/pull.h"
127 #include "gromacs/pulling/pull_rotation.h"
128 #include "gromacs/restraint/manager.h"
129 #include "gromacs/restraint/restraintmdmodule.h"
130 #include "gromacs/restraint/restraintpotential.h"
131 #include "gromacs/swap/swapcoords.h"
132 #include "gromacs/taskassignment/decidegpuusage.h"
133 #include "gromacs/taskassignment/decidesimulationworkload.h"
134 #include "gromacs/taskassignment/resourcedivision.h"
135 #include "gromacs/taskassignment/taskassignment.h"
136 #include "gromacs/taskassignment/usergpuids.h"
137 #include "gromacs/timing/gpu_timing.h"
138 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
139 #include "gromacs/timing/wallcyclereporting.h"
140 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
141 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
142 #include "gromacs/utility/basenetwork.h"
143 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
144 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
145 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
146 #include "gromacs/utility/filestream.h"
147 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
148 #include "gromacs/utility/gmxmpi.h"
149 #include "gromacs/utility/keyvaluetree.h"
150 #include "gromacs/utility/logger.h"
151 #include "gromacs/utility/loggerbuilder.h"
152 #include "gromacs/utility/mdmodulenotification.h"
153 #include "gromacs/utility/physicalnodecommunicator.h"
154 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
155 #include "gromacs/utility/programcontext.h"
156 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
157 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
158
159 #include "isimulator.h"
160 #include "replicaexchange.h"
161 #include "simulatorbuilder.h"
162
163 #if GMX_FAHCORE
164 #    include "corewrap.h"
165 #endif
166
167 namespace gmx
168 {
169
170 /*! \brief Structure that holds boolean flags corresponding to the development
171  *        features present enabled through environment variables.
172  *
173  */
174 struct DevelopmentFeatureFlags
175 {
176     //! True if the Buffer ops development feature is enabled
177     // TODO: when the trigger of the buffer ops offload is fully automated this should go away
178     bool enableGpuBufferOps = false;
179     //! If true, forces 'mdrun -update auto' default to 'gpu'
180     bool forceGpuUpdateDefault = false;
181     //! True if the GPU halo exchange development feature is enabled
182     bool enableGpuHaloExchange = false;
183     //! True if the PME PP direct communication GPU development feature is enabled
184     bool enableGpuPmePPComm = false;
185 };
186
187 /*! \brief Manage any development feature flag variables encountered
188  *
189  * The use of dev features indicated by environment variables is
190  * logged in order to ensure that runs with such features enabled can
191  * be identified from their log and standard output. Any cross
192  * dependencies are also checked, and if unsatisfied, a fatal error
193  * issued.
194  *
195  * Note that some development features overrides are applied already here:
196  * the GPU communication flags are set to false in non-tMPI and non-CUDA builds.
197  *
198  * \param[in]  mdlog                Logger object.
199  * \param[in]  useGpuForNonbonded   True if the nonbonded task is offloaded in this run.
200  * \param[in]  pmeRunMode           The PME run mode for this run
201  * \returns                         The object populated with development feature flags.
202  */
203 static DevelopmentFeatureFlags manageDevelopmentFeatures(const gmx::MDLogger& mdlog,
204                                                          const bool           useGpuForNonbonded,
205                                                          const PmeRunMode     pmeRunMode)
206 {
207     DevelopmentFeatureFlags devFlags;
208
209     // Some builds of GCC 5 give false positive warnings that these
210     // getenv results are ignored when clearly they are used.
211 #pragma GCC diagnostic push
212 #pragma GCC diagnostic ignored "-Wunused-result"
213     devFlags.enableGpuBufferOps = (getenv("GMX_USE_GPU_BUFFER_OPS") != nullptr)
214                                   && (GMX_GPU == GMX_GPU_CUDA) && useGpuForNonbonded;
215     devFlags.forceGpuUpdateDefault = (getenv("GMX_FORCE_UPDATE_DEFAULT_GPU") != nullptr);
216     devFlags.enableGpuHaloExchange =
217             (getenv("GMX_GPU_DD_COMMS") != nullptr && GMX_THREAD_MPI && (GMX_GPU == GMX_GPU_CUDA));
218     devFlags.enableGpuPmePPComm =
219             (getenv("GMX_GPU_PME_PP_COMMS") != nullptr && GMX_THREAD_MPI && (GMX_GPU == GMX_GPU_CUDA));
220 #pragma GCC diagnostic pop
221
222     if (devFlags.enableGpuBufferOps)
223     {
224         GMX_LOG(mdlog.warning)
225                 .asParagraph()
226                 .appendTextFormatted(
227                         "This run uses the 'GPU buffer ops' feature, enabled by the "
228                         "GMX_USE_GPU_BUFFER_OPS environment variable.");
229     }
230
231     if (devFlags.forceGpuUpdateDefault)
232     {
233         GMX_LOG(mdlog.warning)
234                 .asParagraph()
235                 .appendTextFormatted(
236                         "This run will default to '-update gpu' as requested by the "
237                         "GMX_FORCE_UPDATE_DEFAULT_GPU environment variable. GPU update with domain "
238                         "decomposition lacks substantial testing and should be used with caution.");
239     }
240
241     if (devFlags.enableGpuHaloExchange)
242     {
243         if (useGpuForNonbonded)
244         {
245             if (!devFlags.enableGpuBufferOps)
246             {
247                 GMX_LOG(mdlog.warning)
248                         .asParagraph()
249                         .appendTextFormatted(
250                                 "Enabling GPU buffer operations required by GMX_GPU_DD_COMMS "
251                                 "(equivalent with GMX_USE_GPU_BUFFER_OPS=1).");
252                 devFlags.enableGpuBufferOps = true;
253             }
254             GMX_LOG(mdlog.warning)
255                     .asParagraph()
256                     .appendTextFormatted(
257                             "This run uses the 'GPU halo exchange' feature, enabled by the "
258                             "GMX_GPU_DD_COMMS environment variable.");
259         }
260         else
261         {
262             GMX_LOG(mdlog.warning)
263                     .asParagraph()
264                     .appendTextFormatted(
265                             "GMX_GPU_DD_COMMS environment variable detected, but the 'GPU "
266                             "halo exchange' feature will not be enabled as nonbonded interactions "
267                             "are not offloaded.");
268             devFlags.enableGpuHaloExchange = false;
269         }
270     }
271
272     if (devFlags.enableGpuPmePPComm)
273     {
274         if (pmeRunMode == PmeRunMode::GPU)
275         {
276             GMX_LOG(mdlog.warning)
277                     .asParagraph()
278                     .appendTextFormatted(
279                             "This run uses the 'GPU PME-PP communications' feature, enabled "
280                             "by the GMX_GPU_PME_PP_COMMS environment variable.");
281         }
282         else
283         {
284             std::string clarification;
285             if (pmeRunMode == PmeRunMode::Mixed)
286             {
287                 clarification =
288                         "PME FFT and gather are not offloaded to the GPU (PME is running in mixed "
289                         "mode).";
290             }
291             else
292             {
293                 clarification = "PME is not offloaded to the GPU.";
294             }
295             GMX_LOG(mdlog.warning)
296                     .asParagraph()
297                     .appendText(
298                             "GMX_GPU_PME_PP_COMMS environment variable detected, but the "
299                             "'GPU PME-PP communications' feature was not enabled as "
300                             + clarification);
301             devFlags.enableGpuPmePPComm = false;
302         }
303     }
304
305     return devFlags;
306 }
307
308 /*! \brief Barrier for safe simultaneous thread access to mdrunner data
309  *
310  * Used to ensure that the master thread does not modify mdrunner during copy
311  * on the spawned threads. */
312 static void threadMpiMdrunnerAccessBarrier()
313 {
314 #if GMX_THREAD_MPI
315     MPI_Barrier(MPI_COMM_WORLD);
316 #endif
317 }
318
319 Mdrunner Mdrunner::cloneOnSpawnedThread() const
320 {
321     auto newRunner = Mdrunner(std::make_unique<MDModules>());
322
323     // All runners in the same process share a restraint manager resource because it is
324     // part of the interface to the client code, which is associated only with the
325     // original thread. Handles to the same resources can be obtained by copy.
326     {
327         newRunner.restraintManager_ = std::make_unique<RestraintManager>(*restraintManager_);
328     }
329
330     // Copy members of master runner.
331     // \todo Replace with builder when Simulation context and/or runner phases are better defined.
332     // Ref https://redmine.gromacs.org/issues/2587 and https://redmine.gromacs.org/issues/2375
333     newRunner.hw_opt    = hw_opt;
334     newRunner.filenames = filenames;
335
336     newRunner.oenv            = oenv;
337     newRunner.mdrunOptions    = mdrunOptions;
338     newRunner.domdecOptions   = domdecOptions;
339     newRunner.nbpu_opt        = nbpu_opt;
340     newRunner.pme_opt         = pme_opt;
341     newRunner.pme_fft_opt     = pme_fft_opt;
342     newRunner.bonded_opt      = bonded_opt;
343     newRunner.update_opt      = update_opt;
344     newRunner.nstlist_cmdline = nstlist_cmdline;
345     newRunner.replExParams    = replExParams;
346     newRunner.pforce          = pforce;
347     // Give the spawned thread the newly created valid communicator
348     // for the simulation.
349     newRunner.communicator        = MPI_COMM_WORLD;
350     newRunner.ms                  = ms;
351     newRunner.startingBehavior    = startingBehavior;
352     newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::make_unique<StopHandlerBuilder>(*stopHandlerBuilder_);
353
354     threadMpiMdrunnerAccessBarrier();
355
356     return newRunner;
357 }
358
359 /*! \brief The callback used for running on spawned threads.
360  *
361  * Obtains the pointer to the master mdrunner object from the one
362  * argument permitted to the thread-launch API call, copies it to make
363  * a new runner for this thread, reinitializes necessary data, and
364  * proceeds to the simulation. */
365 static void mdrunner_start_fn(const void* arg)
366 {
367     try
368     {
369         auto masterMdrunner = reinterpret_cast<const gmx::Mdrunner*>(arg);
370         /* copy the arg list to make sure that it's thread-local. This
371            doesn't copy pointed-to items, of course; fnm, cr and fplog
372            are reset in the call below, all others should be const. */
373         gmx::Mdrunner mdrunner = masterMdrunner->cloneOnSpawnedThread();
374         mdrunner.mdrunner();
375     }
376     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
377 }
378
379
380 void Mdrunner::spawnThreads(int numThreadsToLaunch)
381 {
382 #if GMX_THREAD_MPI
383     /* now spawn new threads that start mdrunner_start_fn(), while
384        the main thread returns. Thread affinity is handled later. */
385     if (tMPI_Init_fn(TRUE, numThreadsToLaunch, TMPI_AFFINITY_NONE, mdrunner_start_fn,
386                      static_cast<const void*>(this))
387         != TMPI_SUCCESS)
388     {
389         GMX_THROW(gmx::InternalError("Failed to spawn thread-MPI threads"));
390     }
391
392     // Give the master thread the newly created valid communicator for
393     // the simulation.
394     communicator = MPI_COMM_WORLD;
395     threadMpiMdrunnerAccessBarrier();
396 #else
397     GMX_UNUSED_VALUE(numThreadsToLaunch);
398     GMX_UNUSED_VALUE(mdrunner_start_fn);
399 #endif
400 }
401
402 } // namespace gmx
403
404 /*! \brief Initialize variables for Verlet scheme simulation */
405 static void prepare_verlet_scheme(FILE*               fplog,
406                                   t_commrec*          cr,
407                                   t_inputrec*         ir,
408                                   int                 nstlist_cmdline,
409                                   const gmx_mtop_t*   mtop,
410                                   const matrix        box,
411                                   bool                makeGpuPairList,
412                                   const gmx::CpuInfo& cpuinfo)
413 {
414     /* For NVE simulations, we will retain the initial list buffer */
415     if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && ir->verletbuf_tol > 0 && !(EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO))
416     {
417         /* Update the Verlet buffer size for the current run setup */
418
419         /* Here we assume SIMD-enabled kernels are being used. But as currently
420          * calc_verlet_buffer_size gives the same results for 4x8 and 4x4
421          * and 4x2 gives a larger buffer than 4x4, this is ok.
422          */
423         ListSetupType listType =
424                 (makeGpuPairList ? ListSetupType::Gpu : ListSetupType::CpuSimdWhenSupported);
425         VerletbufListSetup listSetup = verletbufGetSafeListSetup(listType);
426
427         const real rlist_new =
428                 calcVerletBufferSize(*mtop, det(box), *ir, ir->nstlist, ir->nstlist - 1, -1, listSetup);
429
430         if (rlist_new != ir->rlist)
431         {
432             if (fplog != nullptr)
433             {
434                 fprintf(fplog,
435                         "\nChanging rlist from %g to %g for non-bonded %dx%d atom kernels\n\n",
436                         ir->rlist, rlist_new, listSetup.cluster_size_i, listSetup.cluster_size_j);
437             }
438             ir->rlist = rlist_new;
439         }
440     }
441
442     if (nstlist_cmdline > 0 && (!EI_DYNAMICS(ir->eI) || ir->verletbuf_tol <= 0))
443     {
444         gmx_fatal(FARGS, "Can not set nstlist without %s",
445                   !EI_DYNAMICS(ir->eI) ? "dynamics" : "verlet-buffer-tolerance");
446     }
447
448     if (EI_DYNAMICS(ir->eI))
449     {
450         /* Set or try nstlist values */
451         increaseNstlist(fplog, cr, ir, nstlist_cmdline, mtop, box, makeGpuPairList, cpuinfo);
452     }
453 }
454
455 /*! \brief Override the nslist value in inputrec
456  *
457  * with value passed on the command line (if any)
458  */
459 static void override_nsteps_cmdline(const gmx::MDLogger& mdlog, int64_t nsteps_cmdline, t_inputrec* ir)
460 {
461     assert(ir);
462
463     /* override with anything else than the default -2 */
464     if (nsteps_cmdline > -2)
465     {
466         char sbuf_steps[STEPSTRSIZE];
467         char sbuf_msg[STRLEN];
468
469         ir->nsteps = nsteps_cmdline;
470         if (EI_DYNAMICS(ir->eI) && nsteps_cmdline != -1)
471         {
472             sprintf(sbuf_msg,
473                     "Overriding nsteps with value passed on the command line: %s steps, %.3g ps",
474                     gmx_step_str(nsteps_cmdline, sbuf_steps), fabs(nsteps_cmdline * ir->delta_t));
475         }
476         else
477         {
478             sprintf(sbuf_msg, "Overriding nsteps with value passed on the command line: %s steps",
479                     gmx_step_str(nsteps_cmdline, sbuf_steps));
480         }
481
482         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(sbuf_msg);
483     }
484     else if (nsteps_cmdline < -2)
485     {
486         gmx_fatal(FARGS, "Invalid nsteps value passed on the command line: %" PRId64, nsteps_cmdline);
487     }
488     /* Do nothing if nsteps_cmdline == -2 */
489 }
490
491 namespace gmx
492 {
493
494 /*! \brief Return whether GPU acceleration of nonbondeds is supported with the given settings.
495  *
496  * If not, and if a warning may be issued, logs a warning about
497  * falling back to CPU code. With thread-MPI, only the first
498  * call to this function should have \c issueWarning true. */
499 static bool gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(const MDLogger& mdlog, const t_inputrec& ir, bool issueWarning)
500 {
501     bool        gpuIsUseful = true;
502     std::string warning;
503
504     if (ir.opts.ngener - ir.nwall > 1)
505     {
506         /* The GPU code does not support more than one energy group.
507          * If the user requested GPUs explicitly, a fatal error is given later.
508          */
509         gpuIsUseful = false;
510         warning =
511                 "Multiple energy groups is not implemented for GPUs, falling back to the CPU. "
512                 "For better performance, run on the GPU without energy groups and then do "
513                 "gmx mdrun -rerun option on the trajectory with an energy group .tpr file.";
514     }
515
516     if (EI_TPI(ir.eI))
517     {
518         gpuIsUseful = false;
519         warning     = "TPI is not implemented for GPUs.";
520     }
521
522     if (!gpuIsUseful && issueWarning)
523     {
524         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(warning);
525     }
526
527     return gpuIsUseful;
528 }
529
530 //! Initializes the logger for mdrun.
531 static gmx::LoggerOwner buildLogger(FILE* fplog, const bool isSimulationMasterRank)
532 {
533     gmx::LoggerBuilder builder;
534     if (fplog != nullptr)
535     {
536         builder.addTargetFile(gmx::MDLogger::LogLevel::Info, fplog);
537     }
538     if (isSimulationMasterRank)
539     {
540         builder.addTargetStream(gmx::MDLogger::LogLevel::Warning, &gmx::TextOutputFile::standardError());
541     }
542     return builder.build();
543 }
544
545 //! Make a TaskTarget from an mdrun argument string.
546 static TaskTarget findTaskTarget(const char* optionString)
547 {
548     TaskTarget returnValue = TaskTarget::Auto;
549
550     if (strncmp(optionString, "auto", 3) == 0)
551     {
552         returnValue = TaskTarget::Auto;
553     }
554     else if (strncmp(optionString, "cpu", 3) == 0)
555     {
556         returnValue = TaskTarget::Cpu;
557     }
558     else if (strncmp(optionString, "gpu", 3) == 0)
559     {
560         returnValue = TaskTarget::Gpu;
561     }
562     else
563     {
564         GMX_ASSERT(false, "Option string should have been checked for sanity already");
565     }
566
567     return returnValue;
568 }
569
570 //! Finish run, aggregate data to print performance info.
571 static void finish_run(FILE*                     fplog,
572                        const gmx::MDLogger&      mdlog,
573                        const t_commrec*          cr,
574                        const t_inputrec*         inputrec,
575                        t_nrnb                    nrnb[],
576                        gmx_wallcycle_t           wcycle,
577                        gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting,
578                        nonbonded_verlet_t*       nbv,
579                        const gmx_pme_t*          pme,
580                        gmx_bool                  bWriteStat)
581 {
582     double delta_t = 0;
583     double nbfs = 0, mflop = 0;
584     double elapsed_time, elapsed_time_over_all_ranks, elapsed_time_over_all_threads,
585             elapsed_time_over_all_threads_over_all_ranks;
586     /* Control whether it is valid to print a report. Only the
587        simulation master may print, but it should not do so if the run
588        terminated e.g. before a scheduled reset step. This is
589        complicated by the fact that PME ranks are unaware of the
590        reason why they were sent a pmerecvqxFINISH. To avoid
591        communication deadlocks, we always do the communication for the
592        report, even if we've decided not to write the report, because
593        how long it takes to finish the run is not important when we've
594        decided not to report on the simulation performance.
595
596        Further, we only report performance for dynamical integrators,
597        because those are the only ones for which we plan to
598        consider doing any optimizations. */
599     bool printReport = EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && SIMMASTER(cr);
600
601     if (printReport && !walltime_accounting_get_valid_finish(walltime_accounting))
602     {
603         GMX_LOG(mdlog.warning)
604                 .asParagraph()
605                 .appendText("Simulation ended prematurely, no performance report will be written.");
606         printReport = false;
607     }
608
609     t_nrnb*                 nrnb_tot;
610     std::unique_ptr<t_nrnb> nrnbTotalStorage;
611     if (cr->nnodes > 1)
612     {
613         nrnbTotalStorage = std::make_unique<t_nrnb>();
614         nrnb_tot         = nrnbTotalStorage.get();
615 #if GMX_MPI
616         MPI_Allreduce(nrnb->n, nrnb_tot->n, eNRNB, MPI_DOUBLE, MPI_SUM, cr->mpi_comm_mysim);
617 #endif
618     }
619     else
620     {
621         nrnb_tot = nrnb;
622     }
623
624     elapsed_time = walltime_accounting_get_time_since_reset(walltime_accounting);
625     elapsed_time_over_all_threads =
626             walltime_accounting_get_time_since_reset_over_all_threads(walltime_accounting);
627     if (cr->nnodes > 1)
628     {
629 #if GMX_MPI
630         /* reduce elapsed_time over all MPI ranks in the current simulation */
631         MPI_Allreduce(&elapsed_time, &elapsed_time_over_all_ranks, 1, MPI_DOUBLE, MPI_SUM,
632                       cr->mpi_comm_mysim);
633         elapsed_time_over_all_ranks /= cr->nnodes;
634         /* Reduce elapsed_time_over_all_threads over all MPI ranks in the
635          * current simulation. */
636         MPI_Allreduce(&elapsed_time_over_all_threads, &elapsed_time_over_all_threads_over_all_ranks,
637                       1, MPI_DOUBLE, MPI_SUM, cr->mpi_comm_mysim);
638 #endif
639     }
640     else
641     {
642         elapsed_time_over_all_ranks                  = elapsed_time;
643         elapsed_time_over_all_threads_over_all_ranks = elapsed_time_over_all_threads;
644     }
645
646     if (printReport)
647     {
648         print_flop(fplog, nrnb_tot, &nbfs, &mflop);
649     }
650
651     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) && DOMAINDECOMP(cr))
652     {
653         print_dd_statistics(cr, inputrec, fplog);
654     }
655
656     /* TODO Move the responsibility for any scaling by thread counts
657      * to the code that handled the thread region, so that there's a
658      * mechanism to keep cycle counting working during the transition
659      * to task parallelism. */
660     int nthreads_pp  = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
661     int nthreads_pme = gmx_omp_nthreads_get(emntPME);
662     wallcycle_scale_by_num_threads(wcycle, thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME) && !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP),
663                                    nthreads_pp, nthreads_pme);
664     auto cycle_sum(wallcycle_sum(cr, wcycle));
665
666     if (printReport)
667     {
668         auto nbnxn_gpu_timings =
669                 (nbv != nullptr && nbv->useGpu()) ? Nbnxm::gpu_get_timings(nbv->gpu_nbv) : nullptr;
670         gmx_wallclock_gpu_pme_t pme_gpu_timings = {};
671
672         if (pme_gpu_task_enabled(pme))
673         {
674             pme_gpu_get_timings(pme, &pme_gpu_timings);
675         }
676         wallcycle_print(fplog, mdlog, cr->nnodes, cr->npmenodes, nthreads_pp, nthreads_pme,
677                         elapsed_time_over_all_ranks, wcycle, cycle_sum, nbnxn_gpu_timings,
678                         &pme_gpu_timings);
679
680         if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI))
681         {
682             delta_t = inputrec->delta_t;
683         }
684
685         if (fplog)
686         {
687             print_perf(fplog, elapsed_time_over_all_threads_over_all_ranks, elapsed_time_over_all_ranks,
688                        walltime_accounting_get_nsteps_done_since_reset(walltime_accounting),
689                        delta_t, nbfs, mflop);
690         }
691         if (bWriteStat)
692         {
693             print_perf(stderr, elapsed_time_over_all_threads_over_all_ranks, elapsed_time_over_all_ranks,
694                        walltime_accounting_get_nsteps_done_since_reset(walltime_accounting),
695                        delta_t, nbfs, mflop);
696         }
697     }
698 }
699
700 int Mdrunner::mdrunner()
701 {
702     matrix                    box;
703     t_forcerec*               fr               = nullptr;
704     t_fcdata*                 fcd              = nullptr;
705     real                      ewaldcoeff_q     = 0;
706     real                      ewaldcoeff_lj    = 0;
707     int                       nChargePerturbed = -1, nTypePerturbed = 0;
708     gmx_wallcycle_t           wcycle;
709     gmx_walltime_accounting_t walltime_accounting = nullptr;
710     gmx_membed_t*             membed              = nullptr;
711     gmx_hw_info_t*            hwinfo              = nullptr;
712
713     /* CAUTION: threads may be started later on in this function, so
714        cr doesn't reflect the final parallel state right now */
715     gmx_mtop_t mtop;
716
717     /* TODO: inputrec should tell us whether we use an algorithm, not a file option */
718     const bool doEssentialDynamics = opt2bSet("-ei", filenames.size(), filenames.data());
719     const bool doMembed            = opt2bSet("-membed", filenames.size(), filenames.data());
720     const bool doRerun             = mdrunOptions.rerun;
721
722     // Handle task-assignment related user options.
723     EmulateGpuNonbonded emulateGpuNonbonded =
724             (getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr ? EmulateGpuNonbonded::Yes : EmulateGpuNonbonded::No);
725
726     std::vector<int> userGpuTaskAssignment;
727     try
728     {
729         userGpuTaskAssignment = parseUserTaskAssignmentString(hw_opt.userGpuTaskAssignment);
730     }
731     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
732     auto       nonbondedTarget = findTaskTarget(nbpu_opt);
733     auto       pmeTarget       = findTaskTarget(pme_opt);
734     auto       pmeFftTarget    = findTaskTarget(pme_fft_opt);
735     auto       bondedTarget    = findTaskTarget(bonded_opt);
736     auto       updateTarget    = findTaskTarget(update_opt);
737     PmeRunMode pmeRunMode      = PmeRunMode::None;
738
739     FILE* fplog = nullptr;
740     // If we are appending, we don't write log output because we need
741     // to check that the old log file matches what the checkpoint file
742     // expects. Otherwise, we should start to write log output now if
743     // there is a file ready for it.
744     if (logFileHandle != nullptr && startingBehavior != StartingBehavior::RestartWithAppending)
745     {
746         fplog = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
747     }
748     const bool       isSimulationMasterRank = findIsSimulationMasterRank(ms, communicator);
749     gmx::LoggerOwner logOwner(buildLogger(fplog, isSimulationMasterRank));
750     gmx::MDLogger    mdlog(logOwner.logger());
751
752     // TODO The thread-MPI master rank makes a working
753     // PhysicalNodeCommunicator here, but it gets rebuilt by all ranks
754     // after the threads have been launched. This works because no use
755     // is made of that communicator until after the execution paths
756     // have rejoined. But it is likely that we can improve the way
757     // this is expressed, e.g. by expressly running detection only the
758     // master rank for thread-MPI, rather than relying on the mutex
759     // and reference count.
760     PhysicalNodeCommunicator physicalNodeComm(communicator, gmx_physicalnode_id_hash());
761     hwinfo = gmx_detect_hardware(mdlog, physicalNodeComm);
762
763     gmx_print_detected_hardware(fplog, isSimulationMasterRank && isMasterSim(ms), mdlog, hwinfo);
764
765     std::vector<int> gpuIdsToUse = makeGpuIdsToUse(hwinfo->gpu_info, hw_opt.gpuIdsAvailable);
766
767     // Print citation requests after all software/hardware printing
768     pleaseCiteGromacs(fplog);
769
770     // TODO Replace this by unique_ptr once t_inputrec is C++
771     t_inputrec               inputrecInstance;
772     t_inputrec*              inputrec = nullptr;
773     std::unique_ptr<t_state> globalState;
774
775     auto partialDeserializedTpr = std::make_unique<PartialDeserializedTprFile>();
776
777     if (isSimulationMasterRank)
778     {
779         /* Only the master rank has the global state */
780         globalState = std::make_unique<t_state>();
781
782         /* Read (nearly) all data required for the simulation
783          * and keep the partly serialized tpr contents to send to other ranks later
784          */
785         *partialDeserializedTpr = read_tpx_state(ftp2fn(efTPR, filenames.size(), filenames.data()),
786                                                  &inputrecInstance, globalState.get(), &mtop);
787         inputrec                = &inputrecInstance;
788     }
789
790     /* Check and update the hardware options for internal consistency */
791     checkAndUpdateHardwareOptions(mdlog, &hw_opt, isSimulationMasterRank, domdecOptions.numPmeRanks,
792                                   inputrec);
793
794     if (GMX_THREAD_MPI && isSimulationMasterRank)
795     {
796         bool useGpuForNonbonded = false;
797         bool useGpuForPme       = false;
798         try
799         {
800             GMX_RELEASE_ASSERT(inputrec != nullptr, "Keep the compiler happy");
801
802             // If the user specified the number of ranks, then we must
803             // respect that, but in default mode, we need to allow for
804             // the number of GPUs to choose the number of ranks.
805             auto canUseGpuForNonbonded = buildSupportsNonbondedOnGpu(nullptr);
806             useGpuForNonbonded         = decideWhetherToUseGpusForNonbondedWithThreadMpi(
807                     nonbondedTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, emulateGpuNonbonded,
808                     canUseGpuForNonbonded,
809                     gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, *inputrec, GMX_THREAD_MPI),
810                     hw_opt.nthreads_tmpi);
811             useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPmeWithThreadMpi(
812                     useGpuForNonbonded, pmeTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, *hwinfo,
813                     *inputrec, mtop, hw_opt.nthreads_tmpi, domdecOptions.numPmeRanks);
814         }
815         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
816
817         /* Determine how many thread-MPI ranks to start.
818          *
819          * TODO Over-writing the user-supplied value here does
820          * prevent any possible subsequent checks from working
821          * correctly. */
822         hw_opt.nthreads_tmpi = get_nthreads_mpi(hwinfo, &hw_opt, gpuIdsToUse, useGpuForNonbonded,
823                                                 useGpuForPme, inputrec, &mtop, mdlog, doMembed);
824
825         // Now start the threads for thread MPI.
826         spawnThreads(hw_opt.nthreads_tmpi);
827         // The spawned threads enter mdrunner() and execution of
828         // master and spawned threads joins at the end of this block.
829         physicalNodeComm = PhysicalNodeCommunicator(communicator, gmx_physicalnode_id_hash());
830     }
831
832     GMX_RELEASE_ASSERT(communicator == MPI_COMM_WORLD, "Must have valid world communicator");
833     CommrecHandle crHandle = init_commrec(communicator, ms);
834     t_commrec*    cr       = crHandle.get();
835     GMX_RELEASE_ASSERT(cr != nullptr, "Must have valid commrec");
836
837     if (PAR(cr))
838     {
839         /* now broadcast everything to the non-master nodes/threads: */
840         if (!isSimulationMasterRank)
841         {
842             inputrec = &inputrecInstance;
843         }
844         init_parallel(cr, inputrec, &mtop, partialDeserializedTpr.get());
845     }
846     GMX_RELEASE_ASSERT(inputrec != nullptr, "All ranks should have a valid inputrec now");
847     partialDeserializedTpr.reset(nullptr);
848
849     // Now the number of ranks is known to all ranks, and each knows
850     // the inputrec read by the master rank. The ranks can now all run
851     // the task-deciding functions and will agree on the result
852     // without needing to communicate.
853     const bool useDomainDecomposition = (PAR(cr) && !(EI_TPI(inputrec->eI) || inputrec->eI == eiNM));
854
855     // Note that these variables describe only their own node.
856     //
857     // Note that when bonded interactions run on a GPU they always run
858     // alongside a nonbonded task, so do not influence task assignment
859     // even though they affect the force calculation workload.
860     bool useGpuForNonbonded = false;
861     bool useGpuForPme       = false;
862     bool useGpuForBonded    = false;
863     bool useGpuForUpdate    = false;
864     bool gpusWereDetected   = hwinfo->ngpu_compatible_tot > 0;
865     try
866     {
867         // It's possible that there are different numbers of GPUs on
868         // different nodes, which is the user's responsibility to
869         // handle. If unsuitable, we will notice that during task
870         // assignment.
871         auto canUseGpuForNonbonded = buildSupportsNonbondedOnGpu(nullptr);
872         useGpuForNonbonded         = decideWhetherToUseGpusForNonbonded(
873                 nonbondedTarget, userGpuTaskAssignment, emulateGpuNonbonded, canUseGpuForNonbonded,
874                 gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, *inputrec, !GMX_THREAD_MPI), gpusWereDetected);
875         useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPme(
876                 useGpuForNonbonded, pmeTarget, userGpuTaskAssignment, *hwinfo, *inputrec, mtop,
877                 cr->nnodes, domdecOptions.numPmeRanks, gpusWereDetected);
878         auto canUseGpuForBonded = buildSupportsGpuBondeds(nullptr)
879                                   && inputSupportsGpuBondeds(*inputrec, mtop, nullptr);
880         useGpuForBonded = decideWhetherToUseGpusForBonded(
881                 useGpuForNonbonded, useGpuForPme, bondedTarget, canUseGpuForBonded,
882                 EVDW_PME(inputrec->vdwtype), EEL_PME_EWALD(inputrec->coulombtype),
883                 domdecOptions.numPmeRanks, gpusWereDetected);
884
885         pmeRunMode = (useGpuForPme ? PmeRunMode::GPU : PmeRunMode::CPU);
886         if (pmeRunMode == PmeRunMode::GPU)
887         {
888             if (pmeFftTarget == TaskTarget::Cpu)
889             {
890                 pmeRunMode = PmeRunMode::Mixed;
891             }
892         }
893         else if (pmeFftTarget == TaskTarget::Gpu)
894         {
895             gmx_fatal(FARGS,
896                       "Assigning FFTs to GPU requires PME to be assigned to GPU as well. With PME "
897                       "on CPU you should not be using -pmefft.");
898         }
899     }
900     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
901
902     // Initialize development feature flags that enabled by environment variable
903     // and report those features that are enabled.
904     const DevelopmentFeatureFlags devFlags =
905             manageDevelopmentFeatures(mdlog, useGpuForNonbonded, pmeRunMode);
906
907     // Build restraints.
908     // TODO: hide restraint implementation details from Mdrunner.
909     // There is nothing unique about restraints at this point as far as the
910     // Mdrunner is concerned. The Mdrunner should just be getting a sequence of
911     // factory functions from the SimulationContext on which to call mdModules_->add().
912     // TODO: capture all restraints into a single RestraintModule, passed to the runner builder.
913     for (auto&& restraint : restraintManager_->getRestraints())
914     {
915         auto module = RestraintMDModule::create(restraint, restraint->sites());
916         mdModules_->add(std::move(module));
917     }
918
919     // TODO: Error handling
920     mdModules_->assignOptionsToModules(*inputrec->params, nullptr);
921     const auto& mdModulesNotifier = mdModules_->notifier().notifier_;
922
923     if (inputrec->internalParameters != nullptr)
924     {
925         mdModulesNotifier.notify(*inputrec->internalParameters);
926     }
927
928     if (fplog != nullptr)
929     {
930         pr_inputrec(fplog, 0, "Input Parameters", inputrec, FALSE);
931         fprintf(fplog, "\n");
932     }
933
934     if (SIMMASTER(cr))
935     {
936         /* In rerun, set velocities to zero if present */
937         if (doRerun && ((globalState->flags & (1 << estV)) != 0))
938         {
939             // rerun does not use velocities
940             GMX_LOG(mdlog.info)
941                     .asParagraph()
942                     .appendText(
943                             "Rerun trajectory contains velocities. Rerun does only evaluate "
944                             "potential energy and forces. The velocities will be ignored.");
945             for (int i = 0; i < globalState->natoms; i++)
946             {
947                 clear_rvec(globalState->v[i]);
948             }
949             globalState->flags &= ~(1 << estV);
950         }
951
952         /* now make sure the state is initialized and propagated */
953         set_state_entries(globalState.get(), inputrec);
954     }
955
956     /* NM and TPI parallelize over force/energy calculations, not atoms,
957      * so we need to initialize and broadcast the global state.
958      */
959     if (inputrec->eI == eiNM || inputrec->eI == eiTPI)
960     {
961         if (!MASTER(cr))
962         {
963             globalState = std::make_unique<t_state>();
964         }
965         broadcastStateWithoutDynamics(cr, globalState.get());
966     }
967
968     /* A parallel command line option consistency check that we can
969        only do after any threads have started. */
970     if (!PAR(cr)
971         && (domdecOptions.numCells[XX] > 1 || domdecOptions.numCells[YY] > 1
972             || domdecOptions.numCells[ZZ] > 1 || domdecOptions.numPmeRanks > 0))
973     {
974         gmx_fatal(FARGS,
975                   "The -dd or -npme option request a parallel simulation, "
976 #if !GMX_MPI
977                   "but %s was compiled without threads or MPI enabled",
978                   output_env_get_program_display_name(oenv));
979 #elif GMX_THREAD_MPI
980                   "but the number of MPI-threads (option -ntmpi) is not set or is 1");
981 #else
982                   "but %s was not started through mpirun/mpiexec or only one rank was requested "
983                   "through mpirun/mpiexec",
984                   output_env_get_program_display_name(oenv));
985 #endif
986     }
987
988     if (doRerun && (EI_ENERGY_MINIMIZATION(inputrec->eI) || eiNM == inputrec->eI))
989     {
990         gmx_fatal(FARGS,
991                   "The .mdp file specified an energy mininization or normal mode algorithm, and "
992                   "these are not compatible with mdrun -rerun");
993     }
994
995     if (!(EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype)))
996     {
997         if (domdecOptions.numPmeRanks > 0)
998         {
999             gmx_fatal_collective(FARGS, cr->mpi_comm_mysim, MASTER(cr),
1000                                  "PME-only ranks are requested, but the system does not use PME "
1001                                  "for electrostatics or LJ");
1002         }
1003
1004         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
1005     }
1006
1007     if (useGpuForNonbonded && domdecOptions.numPmeRanks < 0)
1008     {
1009         /* With NB GPUs we don't automatically use PME-only CPU ranks. PME ranks can
1010          * improve performance with many threads per GPU, since our OpenMP
1011          * scaling is bad, but it's difficult to automate the setup.
1012          */
1013         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
1014     }
1015     if (useGpuForPme)
1016     {
1017         if (domdecOptions.numPmeRanks < 0)
1018         {
1019             domdecOptions.numPmeRanks = 0;
1020             // TODO possibly print a note that one can opt-in for a separate PME GPU rank?
1021         }
1022         else
1023         {
1024             GMX_RELEASE_ASSERT(domdecOptions.numPmeRanks <= 1,
1025                                "PME GPU decomposition is not supported");
1026         }
1027     }
1028
1029 #if GMX_FAHCORE
1030     if (MASTER(cr))
1031     {
1032         fcRegisterSteps(inputrec->nsteps, inputrec->init_step);
1033     }
1034 #endif
1035
1036     /* NMR restraints must be initialized before load_checkpoint,
1037      * since with time averaging the history is added to t_state.
1038      * For proper consistency check we therefore need to extend
1039      * t_state here.
1040      * So the PME-only nodes (if present) will also initialize
1041      * the distance restraints.
1042      */
1043     snew(fcd, 1);
1044
1045     /* This needs to be called before read_checkpoint to extend the state */
1046     init_disres(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, fcd, globalState.get(), replExParams.exchangeInterval > 0);
1047
1048     init_orires(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, globalState.get(), &(fcd->orires));
1049
1050     auto deform = prepareBoxDeformation(globalState->box, cr, *inputrec);
1051
1052     ObservablesHistory observablesHistory = {};
1053
1054     if (startingBehavior != StartingBehavior::NewSimulation)
1055     {
1056         /* Check if checkpoint file exists before doing continuation.
1057          * This way we can use identical input options for the first and subsequent runs...
1058          */
1059         if (mdrunOptions.numStepsCommandline > -2)
1060         {
1061             /* Temporarily set the number of steps to unlimited to avoid
1062              * triggering the nsteps check in load_checkpoint().
1063              * This hack will go away soon when the -nsteps option is removed.
1064              */
1065             inputrec->nsteps = -1;
1066         }
1067
1068         load_checkpoint(opt2fn_master("-cpi", filenames.size(), filenames.data(), cr),
1069                         logFileHandle, cr, domdecOptions.numCells, inputrec, globalState.get(),
1070                         &observablesHistory, mdrunOptions.reproducible, mdModules_->notifier());
1071
1072         if (startingBehavior == StartingBehavior::RestartWithAppending && logFileHandle)
1073         {
1074             // Now we can start normal logging to the truncated log file.
1075             fplog = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
1076             prepareLogAppending(fplog);
1077             logOwner = buildLogger(fplog, MASTER(cr));
1078             mdlog    = logOwner.logger();
1079         }
1080     }
1081
1082     if (mdrunOptions.numStepsCommandline > -2)
1083     {
1084         GMX_LOG(mdlog.info)
1085                 .asParagraph()
1086                 .appendText(
1087                         "The -nsteps functionality is deprecated, and may be removed in a future "
1088                         "version. "
1089                         "Consider using gmx convert-tpr -nsteps or changing the appropriate .mdp "
1090                         "file field.");
1091     }
1092     /* override nsteps with value set on the commandline */
1093     override_nsteps_cmdline(mdlog, mdrunOptions.numStepsCommandline, inputrec);
1094
1095     if (SIMMASTER(cr))
1096     {
1097         copy_mat(globalState->box, box);
1098     }
1099
1100     if (PAR(cr))
1101     {
1102         gmx_bcast(sizeof(box), box, cr);
1103     }
1104
1105     if (inputrec->cutoff_scheme != ecutsVERLET)
1106     {
1107         gmx_fatal(FARGS,
1108                   "This group-scheme .tpr file can no longer be run by mdrun. Please update to the "
1109                   "Verlet scheme, or use an earlier version of GROMACS if necessary.");
1110     }
1111     /* Update rlist and nstlist. */
1112     prepare_verlet_scheme(fplog, cr, inputrec, nstlist_cmdline, &mtop, box,
1113                           useGpuForNonbonded || (emulateGpuNonbonded == EmulateGpuNonbonded::Yes),
1114                           *hwinfo->cpuInfo);
1115
1116     const bool prefer1DAnd1PulseDD = (devFlags.enableGpuHaloExchange && useGpuForNonbonded);
1117     // This builder is necessary while we have multi-part construction
1118     // of DD. Before DD is constructed, we use the existence of
1119     // the builder object to indicate that further construction of DD
1120     // is needed.
1121     std::unique_ptr<DomainDecompositionBuilder> ddBuilder;
1122     if (useDomainDecomposition)
1123     {
1124         ddBuilder = std::make_unique<DomainDecompositionBuilder>(
1125                 mdlog, cr, domdecOptions, mdrunOptions, prefer1DAnd1PulseDD, mtop, *inputrec, box,
1126                 positionsFromStatePointer(globalState.get()));
1127     }
1128     else
1129     {
1130         /* PME, if used, is done on all nodes with 1D decomposition */
1131         cr->npmenodes = 0;
1132         cr->duty      = (DUTY_PP | DUTY_PME);
1133
1134         if (inputrec->ePBC == epbcSCREW)
1135         {
1136             gmx_fatal(FARGS, "pbc=screw is only implemented with domain decomposition");
1137         }
1138     }
1139
1140     // Produce the task assignment for this rank.
1141     GpuTaskAssignmentsBuilder gpuTaskAssignmentsBuilder;
1142     GpuTaskAssignments        gpuTaskAssignments = gpuTaskAssignmentsBuilder.build(
1143             gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, *hwinfo, cr, ms, physicalNodeComm, nonbondedTarget,
1144             pmeTarget, bondedTarget, updateTarget, useGpuForNonbonded, useGpuForPme,
1145             thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP),
1146             // TODO cr->duty & DUTY_PME should imply that a PME
1147             // algorithm is active, but currently does not.
1148             EEL_PME(inputrec->coulombtype) && thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME));
1149
1150     const bool printHostName = (cr->nnodes > 1);
1151     gpuTaskAssignments.reportGpuUsage(mdlog, printHostName, useGpuForBonded, pmeRunMode);
1152
1153     // If the user chose a task assignment, give them some hints
1154     // where appropriate.
1155     if (!userGpuTaskAssignment.empty())
1156     {
1157         gpuTaskAssignments.logPerformanceHints(mdlog, ssize(gpuIdsToUse));
1158     }
1159
1160     // Get the device handles for the modules, nullptr when no task is assigned.
1161     gmx_device_info_t* nonbondedDeviceInfo = gpuTaskAssignments.initNonbondedDevice(cr);
1162     gmx_device_info_t* pmeDeviceInfo       = gpuTaskAssignments.initPmeDevice();
1163
1164     // TODO Initialize GPU streams here.
1165
1166     // TODO Currently this is always built, yet DD partition code
1167     // checks if it is built before using it. Probably it should
1168     // become an MDModule that is made only when another module
1169     // requires it (e.g. pull, CompEl, density fitting), so that we
1170     // don't update the local atom sets unilaterally every step.
1171     LocalAtomSetManager atomSets;
1172     if (ddBuilder)
1173     {
1174         // TODO Pass the GPU streams to ddBuilder to use in buffer
1175         // transfers (e.g. halo exchange)
1176         cr->dd = ddBuilder->build(&atomSets);
1177         // The builder's job is done, so destruct it
1178         ddBuilder.reset(nullptr);
1179         // Note that local state still does not exist yet.
1180     }
1181
1182     // The GPU update is decided here because we need to know whether the constraints or
1183     // SETTLEs can span accross the domain borders (i.e. whether or not update groups are
1184     // defined). This is only known after DD is initialized, hence decision on using GPU
1185     // update is done so late.
1186     try
1187     {
1188         const bool useUpdateGroups = cr->dd ? ddUsesUpdateGroups(*cr->dd) : false;
1189
1190         useGpuForUpdate = decideWhetherToUseGpuForUpdate(
1191                 devFlags.forceGpuUpdateDefault, useDomainDecomposition, useUpdateGroups, pmeRunMode,
1192                 domdecOptions.numPmeRanks > 0, useGpuForNonbonded, updateTarget, gpusWereDetected,
1193                 *inputrec, mtop, doEssentialDynamics, gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_ORIRES) > 0,
1194                 replExParams.exchangeInterval > 0, doRerun, mdlog);
1195     }
1196     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
1197
1198     if (PAR(cr))
1199     {
1200         /* After possible communicator splitting in make_dd_communicators.
1201          * we can set up the intra/inter node communication.
1202          */
1203         gmx_setup_nodecomm(fplog, cr);
1204     }
1205
1206 #if GMX_MPI
1207     if (isMultiSim(ms))
1208     {
1209         GMX_LOG(mdlog.warning)
1210                 .asParagraph()
1211                 .appendTextFormatted(
1212                         "This is simulation %d out of %d running as a composite GROMACS\n"
1213                         "multi-simulation job. Setup for this simulation:\n",
1214                         ms->sim, ms->nsim);
1215     }
1216     GMX_LOG(mdlog.warning)
1217             .appendTextFormatted("Using %d MPI %s\n", cr->nnodes,
1218 #    if GMX_THREAD_MPI
1219                                  cr->nnodes == 1 ? "thread" : "threads"
1220 #    else
1221                                  cr->nnodes == 1 ? "process" : "processes"
1222 #    endif
1223             );
1224     fflush(stderr);
1225 #endif
1226
1227     // If mdrun -pin auto honors any affinity setting that already
1228     // exists. If so, it is nice to provide feedback about whether
1229     // that existing affinity setting was from OpenMP or something
1230     // else, so we run this code both before and after we initialize
1231     // the OpenMP support.
1232     gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, FALSE);
1233     /* Check and update the number of OpenMP threads requested */
1234     checkAndUpdateRequestedNumOpenmpThreads(&hw_opt, *hwinfo, cr, ms, physicalNodeComm.size_,
1235                                             pmeRunMode, mtop, *inputrec);
1236
1237     gmx_omp_nthreads_init(mdlog, cr, hwinfo->nthreads_hw_avail, physicalNodeComm.size_,
1238                           hw_opt.nthreads_omp, hw_opt.nthreads_omp_pme, !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP));
1239
1240     // Enable FP exception detection, but not in
1241     // Release mode and not for compilers with known buggy FP
1242     // exception support (clang with any optimization) or suspected
1243     // buggy FP exception support (gcc 7.* with optimization).
1244 #if !defined NDEBUG                                                                         \
1245         && !((defined __clang__ || (defined(__GNUC__) && !defined(__ICC) && __GNUC__ == 7)) \
1246              && defined __OPTIMIZE__)
1247     const bool bEnableFPE = true;
1248 #else
1249     const bool bEnableFPE = false;
1250 #endif
1251     // FIXME - reconcile with gmx_feenableexcept() call from CommandLineModuleManager::run()
1252     if (bEnableFPE)
1253     {
1254         gmx_feenableexcept();
1255     }
1256
1257     /* Now that we know the setup is consistent, check for efficiency */
1258     check_resource_division_efficiency(hwinfo, gpuTaskAssignments.thisRankHasAnyGpuTask(),
1259                                        mdrunOptions.ntompOptionIsSet, cr, mdlog);
1260
1261     /* getting number of PP/PME threads on this MPI / tMPI rank.
1262        PME: env variable should be read only on one node to make sure it is
1263        identical everywhere;
1264      */
1265     const int numThreadsOnThisRank = thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded)
1266                                                                   : gmx_omp_nthreads_get(emntPME);
1267     checkHardwareOversubscription(numThreadsOnThisRank, cr->nodeid, *hwinfo->hardwareTopology,
1268                                   physicalNodeComm, mdlog);
1269
1270     // Enable Peer access between GPUs where available
1271     // Only for DD, only master PP rank needs to perform setup, and only if thread MPI plus
1272     // any of the GPU communication features are active.
1273     if (DOMAINDECOMP(cr) && MASTER(cr) && thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) && GMX_THREAD_MPI
1274         && (devFlags.enableGpuHaloExchange || devFlags.enableGpuPmePPComm))
1275     {
1276         setupGpuDevicePeerAccess(gpuIdsToUse, mdlog);
1277     }
1278
1279     if (hw_opt.threadAffinity != ThreadAffinity::Off)
1280     {
1281         /* Before setting affinity, check whether the affinity has changed
1282          * - which indicates that probably the OpenMP library has changed it
1283          * since we first checked).
1284          */
1285         gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, TRUE);
1286
1287         int numThreadsOnThisNode, intraNodeThreadOffset;
1288         analyzeThreadsOnThisNode(physicalNodeComm, numThreadsOnThisRank, &numThreadsOnThisNode,
1289                                  &intraNodeThreadOffset);
1290
1291         /* Set the CPU affinity */
1292         gmx_set_thread_affinity(mdlog, cr, &hw_opt, *hwinfo->hardwareTopology, numThreadsOnThisRank,
1293                                 numThreadsOnThisNode, intraNodeThreadOffset, nullptr);
1294     }
1295
1296     if (mdrunOptions.timingOptions.resetStep > -1)
1297     {
1298         GMX_LOG(mdlog.info)
1299                 .asParagraph()
1300                 .appendText(
1301                         "The -resetstep functionality is deprecated, and may be removed in a "
1302                         "future version.");
1303     }
1304     wcycle = wallcycle_init(fplog, mdrunOptions.timingOptions.resetStep, cr);
1305
1306     if (PAR(cr))
1307     {
1308         /* Master synchronizes its value of reset_counters with all nodes
1309          * including PME only nodes */
1310         int64_t reset_counters = wcycle_get_reset_counters(wcycle);
1311         gmx_bcast_sim(sizeof(reset_counters), &reset_counters, cr);
1312         wcycle_set_reset_counters(wcycle, reset_counters);
1313     }
1314
1315     // Membrane embedding must be initialized before we call init_forcerec()
1316     if (doMembed)
1317     {
1318         if (MASTER(cr))
1319         {
1320             fprintf(stderr, "Initializing membed");
1321         }
1322         /* Note that membed cannot work in parallel because mtop is
1323          * changed here. Fix this if we ever want to make it run with
1324          * multiple ranks. */
1325         membed = init_membed(fplog, filenames.size(), filenames.data(), &mtop, inputrec,
1326                              globalState.get(), cr, &mdrunOptions.checkpointOptions.period);
1327     }
1328
1329     const bool                   thisRankHasPmeGpuTask = gpuTaskAssignments.thisRankHasPmeGpuTask();
1330     std::unique_ptr<MDAtoms>     mdAtoms;
1331     std::unique_ptr<gmx_vsite_t> vsite;
1332
1333     t_nrnb nrnb;
1334     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1335     {
1336         mdModulesNotifier.notify(*cr);
1337         mdModulesNotifier.notify(&atomSets);
1338         mdModulesNotifier.notify(PeriodicBoundaryConditionType{ inputrec->ePBC });
1339         mdModulesNotifier.notify(SimulationTimeStep{ inputrec->delta_t });
1340         /* Initiate forcerecord */
1341         fr                 = new t_forcerec;
1342         fr->forceProviders = mdModules_->initForceProviders();
1343         init_forcerec(fplog, mdlog, fr, fcd, inputrec, &mtop, cr, box,
1344                       opt2fn("-table", filenames.size(), filenames.data()),
1345                       opt2fn("-tablep", filenames.size(), filenames.data()),
1346                       opt2fns("-tableb", filenames.size(), filenames.data()), *hwinfo,
1347                       nonbondedDeviceInfo, useGpuForBonded,
1348                       pmeRunMode == PmeRunMode::GPU && !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME), pforce, wcycle);
1349
1350         // TODO Move this to happen during domain decomposition setup,
1351         // once stream and event handling works well with that.
1352         // TODO remove need to pass local stream into GPU halo exchange - Redmine #3093
1353         if (havePPDomainDecomposition(cr) && prefer1DAnd1PulseDD && is1DAnd1PulseDD(*cr->dd))
1354         {
1355             GMX_RELEASE_ASSERT(devFlags.enableGpuBufferOps,
1356                                "Must use GMX_USE_GPU_BUFFER_OPS=1 to use GMX_GPU_DD_COMMS=1");
1357             void* streamLocal =
1358                     Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::Local);
1359             void* streamNonLocal =
1360                     Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::NonLocal);
1361             GMX_LOG(mdlog.warning)
1362                     .asParagraph()
1363                     .appendTextFormatted(
1364                             "NOTE: This run uses the 'GPU halo exchange' feature, enabled by the "
1365                             "GMX_GPU_DD_COMMS environment variable.");
1366             cr->dd->gpuHaloExchange = std::make_unique<GpuHaloExchange>(
1367                     cr->dd, cr->mpi_comm_mysim, streamLocal, streamNonLocal);
1368         }
1369
1370         /* Initialize the mdAtoms structure.
1371          * mdAtoms is not filled with atom data,
1372          * as this can not be done now with domain decomposition.
1373          */
1374         mdAtoms = makeMDAtoms(fplog, mtop, *inputrec, thisRankHasPmeGpuTask);
1375         if (globalState && thisRankHasPmeGpuTask)
1376         {
1377             // The pinning of coordinates in the global state object works, because we only use
1378             // PME on GPU without DD or on a separate PME rank, and because the local state pointer
1379             // points to the global state object without DD.
1380             // FIXME: MD and EM separately set up the local state - this should happen in the same
1381             // function, which should also perform the pinning.
1382             changePinningPolicy(&globalState->x, pme_get_pinning_policy());
1383         }
1384
1385         /* Initialize the virtual site communication */
1386         vsite = initVsite(mtop, cr);
1387
1388         calc_shifts(box, fr->shift_vec);
1389
1390         /* With periodic molecules the charge groups should be whole at start up
1391          * and the virtual sites should not be far from their proper positions.
1392          */
1393         if (!inputrec->bContinuation && MASTER(cr) && !(inputrec->ePBC != epbcNONE && inputrec->bPeriodicMols))
1394         {
1395             /* Make molecules whole at start of run */
1396             if (fr->ePBC != epbcNONE)
1397             {
1398                 do_pbc_first_mtop(fplog, inputrec->ePBC, box, &mtop, globalState->x.rvec_array());
1399             }
1400             if (vsite)
1401             {
1402                 /* Correct initial vsite positions are required
1403                  * for the initial distribution in the domain decomposition
1404                  * and for the initial shell prediction.
1405                  */
1406                 constructVsitesGlobal(mtop, globalState->x);
1407             }
1408         }
1409
1410         if (EEL_PME(fr->ic->eeltype) || EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1411         {
1412             ewaldcoeff_q  = fr->ic->ewaldcoeff_q;
1413             ewaldcoeff_lj = fr->ic->ewaldcoeff_lj;
1414         }
1415     }
1416     else
1417     {
1418         /* This is a PME only node */
1419
1420         GMX_ASSERT(globalState == nullptr,
1421                    "We don't need the state on a PME only rank and expect it to be unitialized");
1422
1423         ewaldcoeff_q  = calc_ewaldcoeff_q(inputrec->rcoulomb, inputrec->ewald_rtol);
1424         ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(inputrec->rvdw, inputrec->ewald_rtol_lj);
1425     }
1426
1427     gmx_pme_t* sepPmeData = nullptr;
1428     // This reference hides the fact that PME data is owned by runner on PME-only ranks and by forcerec on other ranks
1429     GMX_ASSERT(thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) == (fr != nullptr),
1430                "Double-checking that only PME-only ranks have no forcerec");
1431     gmx_pme_t*& pmedata = fr ? fr->pmedata : sepPmeData;
1432
1433     // TODO should live in ewald module once its testing is improved
1434     //
1435     // Later, this program could contain kernels that might be later
1436     // re-used as auto-tuning progresses, or subsequent simulations
1437     // are invoked.
1438     PmeGpuProgramStorage pmeGpuProgram;
1439     if (thisRankHasPmeGpuTask)
1440     {
1441         pmeGpuProgram = buildPmeGpuProgram(pmeDeviceInfo);
1442     }
1443
1444     /* Initiate PME if necessary,
1445      * either on all nodes or on dedicated PME nodes only. */
1446     if (EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1447     {
1448         if (mdAtoms && mdAtoms->mdatoms())
1449         {
1450             nChargePerturbed = mdAtoms->mdatoms()->nChargePerturbed;
1451             if (EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1452             {
1453                 nTypePerturbed = mdAtoms->mdatoms()->nTypePerturbed;
1454             }
1455         }
1456         if (cr->npmenodes > 0)
1457         {
1458             /* The PME only nodes need to know nChargePerturbed(FEP on Q) and nTypePerturbed(FEP on LJ)*/
1459             gmx_bcast_sim(sizeof(nChargePerturbed), &nChargePerturbed, cr);
1460             gmx_bcast_sim(sizeof(nTypePerturbed), &nTypePerturbed, cr);
1461         }
1462
1463         if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
1464         {
1465             try
1466             {
1467                 pmedata = gmx_pme_init(cr, getNumPmeDomains(cr->dd), inputrec, nChargePerturbed != 0,
1468                                        nTypePerturbed != 0, mdrunOptions.reproducible, ewaldcoeff_q,
1469                                        ewaldcoeff_lj, gmx_omp_nthreads_get(emntPME), pmeRunMode,
1470                                        nullptr, pmeDeviceInfo, pmeGpuProgram.get(), mdlog);
1471             }
1472             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
1473         }
1474     }
1475
1476
1477     if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI))
1478     {
1479         /* Turn on signal handling on all nodes */
1480         /*
1481          * (A user signal from the PME nodes (if any)
1482          * is communicated to the PP nodes.
1483          */
1484         signal_handler_install();
1485     }
1486
1487     pull_t* pull_work = nullptr;
1488     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1489     {
1490         /* Assumes uniform use of the number of OpenMP threads */
1491         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntDefault));
1492
1493         if (inputrec->bPull)
1494         {
1495             /* Initialize pull code */
1496             pull_work = init_pull(fplog, inputrec->pull, inputrec, &mtop, cr, &atomSets,
1497                                   inputrec->fepvals->init_lambda);
1498             if (inputrec->pull->bXOutAverage || inputrec->pull->bFOutAverage)
1499             {
1500                 initPullHistory(pull_work, &observablesHistory);
1501             }
1502             if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && MASTER(cr))
1503             {
1504                 init_pull_output_files(pull_work, filenames.size(), filenames.data(), oenv, startingBehavior);
1505             }
1506         }
1507
1508         std::unique_ptr<EnforcedRotation> enforcedRotation;
1509         if (inputrec->bRot)
1510         {
1511             /* Initialize enforced rotation code */
1512             enforcedRotation =
1513                     init_rot(fplog, inputrec, filenames.size(), filenames.data(), cr, &atomSets,
1514                              globalState.get(), &mtop, oenv, mdrunOptions, startingBehavior);
1515         }
1516
1517         t_swap* swap = nullptr;
1518         if (inputrec->eSwapCoords != eswapNO)
1519         {
1520             /* Initialize ion swapping code */
1521             swap = init_swapcoords(fplog, inputrec,
1522                                    opt2fn_master("-swap", filenames.size(), filenames.data(), cr),
1523                                    &mtop, globalState.get(), &observablesHistory, cr, &atomSets,
1524                                    oenv, mdrunOptions, startingBehavior);
1525         }
1526
1527         /* Let makeConstraints know whether we have essential dynamics constraints. */
1528         auto constr = makeConstraints(mtop, *inputrec, pull_work, doEssentialDynamics, fplog,
1529                                       *mdAtoms->mdatoms(), cr, ms, &nrnb, wcycle, fr->bMolPBC);
1530
1531         /* Energy terms and groups */
1532         gmx_enerdata_t enerd(mtop.groups.groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput].size(),
1533                              inputrec->fepvals->n_lambda);
1534
1535         /* Kinetic energy data */
1536         gmx_ekindata_t ekind;
1537         init_ekindata(fplog, &mtop, &(inputrec->opts), &ekind, inputrec->cos_accel);
1538
1539         /* Set up interactive MD (IMD) */
1540         auto imdSession =
1541                 makeImdSession(inputrec, cr, wcycle, &enerd, ms, &mtop, mdlog,
1542                                MASTER(cr) ? globalState->x.rvec_array() : nullptr, filenames.size(),
1543                                filenames.data(), oenv, mdrunOptions.imdOptions, startingBehavior);
1544
1545         if (DOMAINDECOMP(cr))
1546         {
1547             GMX_RELEASE_ASSERT(fr, "fr was NULL while cr->duty was DUTY_PP");
1548             /* This call is not included in init_domain_decomposition mainly
1549              * because fr->cginfo_mb is set later.
1550              */
1551             dd_init_bondeds(fplog, cr->dd, mtop, vsite.get(), inputrec,
1552                             domdecOptions.checkBondedInteractions, fr->cginfo_mb);
1553         }
1554
1555         const bool inputIsCompatibleWithModularSimulator = ModularSimulator::isInputCompatible(
1556                 false, inputrec, doRerun, vsite.get(), ms, replExParams, fcd,
1557                 static_cast<int>(filenames.size()), filenames.data(), &observablesHistory, membed);
1558
1559         const bool useModularSimulator = inputIsCompatibleWithModularSimulator
1560                                          && !(getenv("GMX_DISABLE_MODULAR_SIMULATOR") != nullptr);
1561
1562         // TODO This is not the right place to manage the lifetime of
1563         // this data structure, but currently it's the easiest way to
1564         // make it work.
1565         MdrunScheduleWorkload runScheduleWork;
1566         // Also populates the simulation constant workload description.
1567         runScheduleWork.simulationWork = createSimulationWorkload(
1568                 useGpuForNonbonded, pmeRunMode, useGpuForBonded, useGpuForUpdate,
1569                 devFlags.enableGpuBufferOps, devFlags.enableGpuHaloExchange,
1570                 devFlags.enableGpuPmePPComm, haveEwaldSurfaceContribution(*inputrec));
1571
1572         std::unique_ptr<gmx::StatePropagatorDataGpu> stateGpu;
1573         if (gpusWereDetected
1574             && ((useGpuForPme && thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
1575                 || runScheduleWork.simulationWork.useGpuBufferOps))
1576         {
1577             const void* pmeStream = pme_gpu_get_device_stream(fr->pmedata);
1578             const void* localStream =
1579                     fr->nbv->gpu_nbv != nullptr
1580                             ? Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::Local)
1581                             : nullptr;
1582             const void* nonLocalStream =
1583                     fr->nbv->gpu_nbv != nullptr
1584                             ? Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::NonLocal)
1585                             : nullptr;
1586             const void*        deviceContext = pme_gpu_get_device_context(fr->pmedata);
1587             const int          paddingSize   = pme_gpu_get_padding_size(fr->pmedata);
1588             GpuApiCallBehavior transferKind = (inputrec->eI == eiMD && !doRerun && !useModularSimulator)
1589                                                       ? GpuApiCallBehavior::Async
1590                                                       : GpuApiCallBehavior::Sync;
1591
1592             stateGpu = std::make_unique<gmx::StatePropagatorDataGpu>(
1593                     pmeStream, localStream, nonLocalStream, deviceContext, transferKind, paddingSize, wcycle);
1594             fr->stateGpu = stateGpu.get();
1595         }
1596
1597         GMX_ASSERT(stopHandlerBuilder_, "Runner must provide StopHandlerBuilder to simulator.");
1598         SimulatorBuilder simulatorBuilder;
1599
1600         // build and run simulator object based on user-input
1601         auto simulator = simulatorBuilder.build(
1602                 inputIsCompatibleWithModularSimulator, fplog, cr, ms, mdlog,
1603                 static_cast<int>(filenames.size()), filenames.data(), oenv, mdrunOptions,
1604                 startingBehavior, vsite.get(), constr.get(),
1605                 enforcedRotation ? enforcedRotation->getLegacyEnfrot() : nullptr, deform.get(),
1606                 mdModules_->outputProvider(), mdModules_->notifier(), inputrec, imdSession.get(),
1607                 pull_work, swap, &mtop, fcd, globalState.get(), &observablesHistory, mdAtoms.get(),
1608                 &nrnb, wcycle, fr, &enerd, &ekind, &runScheduleWork, replExParams, membed,
1609                 walltime_accounting, std::move(stopHandlerBuilder_), doRerun);
1610         simulator->run();
1611
1612         if (fr->pmePpCommGpu)
1613         {
1614             // destroy object since it is no longer required. (This needs to be done while the GPU context still exists.)
1615             fr->pmePpCommGpu.reset();
1616         }
1617
1618         if (inputrec->bPull)
1619         {
1620             finish_pull(pull_work);
1621         }
1622         finish_swapcoords(swap);
1623     }
1624     else
1625     {
1626         GMX_RELEASE_ASSERT(pmedata, "pmedata was NULL while cr->duty was not DUTY_PP");
1627         /* do PME only */
1628         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntPME));
1629         gmx_pmeonly(pmedata, cr, &nrnb, wcycle, walltime_accounting, inputrec, pmeRunMode);
1630     }
1631
1632     wallcycle_stop(wcycle, ewcRUN);
1633
1634     /* Finish up, write some stuff
1635      * if rerunMD, don't write last frame again
1636      */
1637     finish_run(fplog, mdlog, cr, inputrec, &nrnb, wcycle, walltime_accounting,
1638                fr ? fr->nbv.get() : nullptr, pmedata, EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && !isMultiSim(ms));
1639
1640     // clean up cycle counter
1641     wallcycle_destroy(wcycle);
1642
1643     // Free PME data
1644     if (pmedata)
1645     {
1646         gmx_pme_destroy(pmedata);
1647         pmedata = nullptr;
1648     }
1649
1650     // FIXME: this is only here to manually unpin mdAtoms->chargeA_ and state->x,
1651     // before we destroy the GPU context(s) in free_gpu().
1652     // Pinned buffers are associated with contexts in CUDA.
1653     // As soon as we destroy GPU contexts after mdrunner() exits, these lines should go.
1654     mdAtoms.reset(nullptr);
1655     globalState.reset(nullptr);
1656     mdModules_.reset(nullptr); // destruct force providers here as they might also use the GPU
1657     /* Free pinned buffers in *fr */
1658     delete fr;
1659     fr = nullptr;
1660
1661     if (hwinfo->gpu_info.n_dev > 0)
1662     {
1663         /* stop the GPU profiler (only CUDA) */
1664         stopGpuProfiler();
1665     }
1666
1667     /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
1668      * destroying the CUDA context in free_gpu() as some tMPI ranks may be sharing
1669      * GPU and context.
1670      *
1671      * This is not a concern in OpenCL where we use one context per rank which
1672      * is freed in nbnxn_gpu_free().
1673      *
1674      * Note: it is safe to not call the barrier on the ranks which do not use GPU,
1675      * but it is easier and more futureproof to call it on the whole node.
1676      *
1677      * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
1678      * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
1679      * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
1680      * \todo Remove this physical node barrier after making sure
1681      * that it's not needed anymore (with a shared GPU run).
1682      */
1683     if (GMX_THREAD_MPI)
1684     {
1685         physicalNodeComm.barrier();
1686     }
1687
1688     free_gpu(nonbondedDeviceInfo);
1689     free_gpu(pmeDeviceInfo);
1690     sfree(fcd);
1691
1692     if (doMembed)
1693     {
1694         free_membed(membed);
1695     }
1696
1697     /* Does what it says */
1698     print_date_and_time(fplog, cr->nodeid, "Finished mdrun", gmx_gettime());
1699     walltime_accounting_destroy(walltime_accounting);
1700
1701     // Ensure log file content is written
1702     if (logFileHandle)
1703     {
1704         gmx_fio_flush(logFileHandle);
1705     }
1706
1707     /* Reset FPEs (important for unit tests) by disabling them. Assumes no
1708      * exceptions were enabled before function was called. */
1709     if (bEnableFPE)
1710     {
1711         gmx_fedisableexcept();
1712     }
1713
1714     auto rc = static_cast<int>(gmx_get_stop_condition());
1715
1716 #if GMX_THREAD_MPI
1717     /* we need to join all threads. The sub-threads join when they
1718        exit this function, but the master thread needs to be told to
1719        wait for that. */
1720     if (PAR(cr) && MASTER(cr))
1721     {
1722         tMPI_Finalize();
1723     }
1724 #endif
1725     return rc;
1726 }
1727
1728 Mdrunner::~Mdrunner()
1729 {
1730     // Clean up of the Manager.
1731     // This will end up getting called on every thread-MPI rank, which is unnecessary,
1732     // but okay as long as threads synchronize some time before adding or accessing
1733     // a new set of restraints.
1734     if (restraintManager_)
1735     {
1736         restraintManager_->clear();
1737         GMX_ASSERT(restraintManager_->countRestraints() == 0,
1738                    "restraints added during runner life time should be cleared at runner "
1739                    "destruction.");
1740     }
1741 };
1742
1743 void Mdrunner::addPotential(std::shared_ptr<gmx::IRestraintPotential> puller, const std::string& name)
1744 {
1745     GMX_ASSERT(restraintManager_, "Mdrunner must have a restraint manager.");
1746     // Not sure if this should be logged through the md logger or something else,
1747     // but it is helpful to have some sort of INFO level message sent somewhere.
1748     //    std::cout << "Registering restraint named " << name << std::endl;
1749
1750     // When multiple restraints are used, it may be wasteful to register them separately.
1751     // Maybe instead register an entire Restraint Manager as a force provider.
1752     restraintManager_->addToSpec(std::move(puller), name);
1753 }
1754
1755 Mdrunner::Mdrunner(std::unique_ptr<MDModules> mdModules) : mdModules_(std::move(mdModules)) {}
1756
1757 Mdrunner::Mdrunner(Mdrunner&&) noexcept = default;
1758
1759 //NOLINTNEXTLINE(performance-noexcept-move-constructor) working around GCC bug 58265
1760 Mdrunner& Mdrunner::operator=(Mdrunner&& /*handle*/) noexcept(BUGFREE_NOEXCEPT_STRING) = default;
1761
1762 class Mdrunner::BuilderImplementation
1763 {
1764 public:
1765     BuilderImplementation() = delete;
1766     BuilderImplementation(std::unique_ptr<MDModules> mdModules, compat::not_null<SimulationContext*> context);
1767     ~BuilderImplementation();
1768
1769     BuilderImplementation& setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions& options,
1770                                                 real                forceWarningThreshold,
1771                                                 StartingBehavior    startingBehavior);
1772
1773     void addDomdec(const DomdecOptions& options);
1774
1775     void addVerletList(int nstlist);
1776
1777     void addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters& params);
1778
1779     void addNonBonded(const char* nbpu_opt);
1780
1781     void addPME(const char* pme_opt_, const char* pme_fft_opt_);
1782
1783     void addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt);
1784
1785     void addUpdateTaskAssignment(const char* update_opt);
1786
1787     void addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t& hardwareOptions);
1788
1789     void addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames);
1790
1791     void addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment);
1792
1793     void addLogFile(t_fileio* logFileHandle);
1794
1795     void addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder);
1796
1797     Mdrunner build();
1798
1799 private:
1800     // Default parameters copied from runner.h
1801     // \todo Clarify source(s) of default parameters.
1802
1803     const char* nbpu_opt_    = nullptr;
1804     const char* pme_opt_     = nullptr;
1805     const char* pme_fft_opt_ = nullptr;
1806     const char* bonded_opt_  = nullptr;
1807     const char* update_opt_  = nullptr;
1808
1809     MdrunOptions mdrunOptions_;
1810
1811     DomdecOptions domdecOptions_;
1812
1813     ReplicaExchangeParameters replicaExchangeParameters_;
1814
1815     //! Command-line override for the duration of a neighbor list with the Verlet scheme.
1816     int nstlist_ = 0;
1817
1818     //! Multisim communicator handle.
1819     gmx_multisim_t* multiSimulation_;
1820
1821     //! mdrun communicator
1822     MPI_Comm communicator_ = MPI_COMM_NULL;
1823
1824     //! Print a warning if any force is larger than this (in kJ/mol nm).
1825     real forceWarningThreshold_ = -1;
1826
1827     //! Whether the simulation will start afresh, or restart with/without appending.
1828     StartingBehavior startingBehavior_ = StartingBehavior::NewSimulation;
1829
1830     //! The modules that comprise the functionality of mdrun.
1831     std::unique_ptr<MDModules> mdModules_;
1832
1833     //! \brief Parallelism information.
1834     gmx_hw_opt_t hardwareOptions_;
1835
1836     //! filename options for simulation.
1837     ArrayRef<const t_filenm> filenames_;
1838
1839     /*! \brief Handle to output environment.
1840      *
1841      * \todo gmx_output_env_t needs lifetime management.
1842      */
1843     gmx_output_env_t* outputEnvironment_ = nullptr;
1844
1845     /*! \brief Non-owning handle to MD log file.
1846      *
1847      * \todo Context should own output facilities for client.
1848      * \todo Improve log file handle management.
1849      * \internal
1850      * Code managing the FILE* relies on the ability to set it to
1851      * nullptr to check whether the filehandle is valid.
1852      */
1853     t_fileio* logFileHandle_ = nullptr;
1854
1855     /*!
1856      * \brief Builder for simulation stop signal handler.
1857      */
1858     std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> stopHandlerBuilder_ = nullptr;
1859 };
1860
1861 Mdrunner::BuilderImplementation::BuilderImplementation(std::unique_ptr<MDModules> mdModules,
1862                                                        compat::not_null<SimulationContext*> context) :
1863     mdModules_(std::move(mdModules))
1864 {
1865     communicator_    = context->communicator_;
1866     multiSimulation_ = context->multiSimulation_.get();
1867 }
1868
1869 Mdrunner::BuilderImplementation::~BuilderImplementation() = default;
1870
1871 Mdrunner::BuilderImplementation&
1872 Mdrunner::BuilderImplementation::setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions&    options,
1873                                                       const real             forceWarningThreshold,
1874                                                       const StartingBehavior startingBehavior)
1875 {
1876     mdrunOptions_          = options;
1877     forceWarningThreshold_ = forceWarningThreshold;
1878     startingBehavior_      = startingBehavior;
1879     return *this;
1880 }
1881
1882 void Mdrunner::BuilderImplementation::addDomdec(const DomdecOptions& options)
1883 {
1884     domdecOptions_ = options;
1885 }
1886
1887 void Mdrunner::BuilderImplementation::addVerletList(int nstlist)
1888 {
1889     nstlist_ = nstlist;
1890 }
1891
1892 void Mdrunner::BuilderImplementation::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters& params)
1893 {
1894     replicaExchangeParameters_ = params;
1895 }
1896
1897 Mdrunner Mdrunner::BuilderImplementation::build()
1898 {
1899     auto newRunner = Mdrunner(std::move(mdModules_));
1900
1901     newRunner.mdrunOptions     = mdrunOptions_;
1902     newRunner.pforce           = forceWarningThreshold_;
1903     newRunner.startingBehavior = startingBehavior_;
1904     newRunner.domdecOptions    = domdecOptions_;
1905
1906     // \todo determine an invariant to check or confirm that all gmx_hw_opt_t objects are valid
1907     newRunner.hw_opt = hardwareOptions_;
1908
1909     // No invariant to check. This parameter exists to optionally override other behavior.
1910     newRunner.nstlist_cmdline = nstlist_;
1911
1912     newRunner.replExParams = replicaExchangeParameters_;
1913
1914     newRunner.filenames = filenames_;
1915
1916     newRunner.communicator = communicator_;
1917
1918     // nullptr is a valid value for the multisim handle
1919     newRunner.ms = multiSimulation_;
1920
1921     // \todo Clarify ownership and lifetime management for gmx_output_env_t
1922     // \todo Update sanity checking when output environment has clearly specified invariants.
1923     // Initialization and default values for oenv are not well specified in the current version.
1924     if (outputEnvironment_)
1925     {
1926         newRunner.oenv = outputEnvironment_;
1927     }
1928     else
1929     {
1930         GMX_THROW(gmx::APIError(
1931                 "MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment() is required before build()"));
1932     }
1933
1934     newRunner.logFileHandle = logFileHandle_;
1935
1936     if (nbpu_opt_)
1937     {
1938         newRunner.nbpu_opt = nbpu_opt_;
1939     }
1940     else
1941     {
1942         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addNonBonded() is required before build()"));
1943     }
1944
1945     if (pme_opt_ && pme_fft_opt_)
1946     {
1947         newRunner.pme_opt     = pme_opt_;
1948         newRunner.pme_fft_opt = pme_fft_opt_;
1949     }
1950     else
1951     {
1952         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addElectrostatics() is required before build()"));
1953     }
1954
1955     if (bonded_opt_)
1956     {
1957         newRunner.bonded_opt = bonded_opt_;
1958     }
1959     else
1960     {
1961         GMX_THROW(gmx::APIError(
1962                 "MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment() is required before build()"));
1963     }
1964
1965     if (update_opt_)
1966     {
1967         newRunner.update_opt = update_opt_;
1968     }
1969     else
1970     {
1971         GMX_THROW(gmx::APIError(
1972                 "MdrunnerBuilder::addUpdateTaskAssignment() is required before build()  "));
1973     }
1974
1975
1976     newRunner.restraintManager_ = std::make_unique<gmx::RestraintManager>();
1977
1978     if (stopHandlerBuilder_)
1979     {
1980         newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::move(stopHandlerBuilder_);
1981     }
1982     else
1983     {
1984         newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::make_unique<StopHandlerBuilder>();
1985     }
1986
1987     return newRunner;
1988 }
1989
1990 void Mdrunner::BuilderImplementation::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
1991 {
1992     nbpu_opt_ = nbpu_opt;
1993 }
1994
1995 void Mdrunner::BuilderImplementation::addPME(const char* pme_opt, const char* pme_fft_opt)
1996 {
1997     pme_opt_     = pme_opt;
1998     pme_fft_opt_ = pme_fft_opt;
1999 }
2000
2001 void Mdrunner::BuilderImplementation::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
2002 {
2003     bonded_opt_ = bonded_opt;
2004 }
2005
2006 void Mdrunner::BuilderImplementation::addUpdateTaskAssignment(const char* update_opt)
2007 {
2008     update_opt_ = update_opt;
2009 }
2010
2011 void Mdrunner::BuilderImplementation::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t& hardwareOptions)
2012 {
2013     hardwareOptions_ = hardwareOptions;
2014 }
2015
2016 void Mdrunner::BuilderImplementation::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
2017 {
2018     filenames_ = filenames;
2019 }
2020
2021 void Mdrunner::BuilderImplementation::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
2022 {
2023     outputEnvironment_ = outputEnvironment;
2024 }
2025
2026 void Mdrunner::BuilderImplementation::addLogFile(t_fileio* logFileHandle)
2027 {
2028     logFileHandle_ = logFileHandle;
2029 }
2030
2031 void Mdrunner::BuilderImplementation::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
2032 {
2033     stopHandlerBuilder_ = std::move(builder);
2034 }
2035
2036 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(std::unique_ptr<MDModules>           mdModules,
2037                                  compat::not_null<SimulationContext*> context) :
2038     impl_{ std::make_unique<Mdrunner::BuilderImplementation>(std::move(mdModules), context) }
2039 {
2040 }
2041
2042 MdrunnerBuilder::~MdrunnerBuilder() = default;
2043
2044 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addSimulationMethod(const MdrunOptions&    options,
2045                                                       real                   forceWarningThreshold,
2046                                                       const StartingBehavior startingBehavior)
2047 {
2048     impl_->setExtraMdrunOptions(options, forceWarningThreshold, startingBehavior);
2049     return *this;
2050 }
2051
2052 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addDomainDecomposition(const DomdecOptions& options)
2053 {
2054     impl_->addDomdec(options);
2055     return *this;
2056 }
2057
2058 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addNeighborList(int nstlist)
2059 {
2060     impl_->addVerletList(nstlist);
2061     return *this;
2062 }
2063
2064 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters& params)
2065 {
2066     impl_->addReplicaExchange(params);
2067     return *this;
2068 }
2069
2070 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
2071 {
2072     impl_->addNonBonded(nbpu_opt);
2073     return *this;
2074 }
2075
2076 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addElectrostatics(const char* pme_opt, const char* pme_fft_opt)
2077 {
2078     // The builder method may become more general in the future, but in this version,
2079     // parameters for PME electrostatics are both required and the only parameters
2080     // available.
2081     if (pme_opt && pme_fft_opt)
2082     {
2083         impl_->addPME(pme_opt, pme_fft_opt);
2084     }
2085     else
2086     {
2087         GMX_THROW(
2088                 gmx::InvalidInputError("addElectrostatics() arguments must be non-null pointers."));
2089     }
2090     return *this;
2091 }
2092
2093 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
2094 {
2095     impl_->addBondedTaskAssignment(bonded_opt);
2096     return *this;
2097 }
2098
2099 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addUpdateTaskAssignment(const char* update_opt)
2100 {
2101     impl_->addUpdateTaskAssignment(update_opt);
2102     return *this;
2103 }
2104
2105 Mdrunner MdrunnerBuilder::build()
2106 {
2107     return impl_->build();
2108 }
2109
2110 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t& hardwareOptions)
2111 {
2112     impl_->addHardwareOptions(hardwareOptions);
2113     return *this;
2114 }
2115
2116 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
2117 {
2118     impl_->addFilenames(filenames);
2119     return *this;
2120 }
2121
2122 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
2123 {
2124     impl_->addOutputEnvironment(outputEnvironment);
2125     return *this;
2126 }
2127
2128 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addLogFile(t_fileio* logFileHandle)
2129 {
2130     impl_->addLogFile(logFileHandle);
2131     return *this;
2132 }
2133
2134 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
2135 {
2136     impl_->addStopHandlerBuilder(std::move(builder));
2137     return *this;
2138 }
2139
2140 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(MdrunnerBuilder&&) noexcept = default;
2141
2142 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::operator=(MdrunnerBuilder&&) noexcept = default;
2143
2144 } // namespace gmx