Merge branch origin/release-2020 into master
[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
738     FILE* fplog = nullptr;
739     // If we are appending, we don't write log output because we need
740     // to check that the old log file matches what the checkpoint file
741     // expects. Otherwise, we should start to write log output now if
742     // there is a file ready for it.
743     if (logFileHandle != nullptr && startingBehavior != StartingBehavior::RestartWithAppending)
744     {
745         fplog = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
746     }
747     const bool       isSimulationMasterRank = findIsSimulationMasterRank(ms, communicator);
748     gmx::LoggerOwner logOwner(buildLogger(fplog, isSimulationMasterRank));
749     gmx::MDLogger    mdlog(logOwner.logger());
750
751     // TODO The thread-MPI master rank makes a working
752     // PhysicalNodeCommunicator here, but it gets rebuilt by all ranks
753     // after the threads have been launched. This works because no use
754     // is made of that communicator until after the execution paths
755     // have rejoined. But it is likely that we can improve the way
756     // this is expressed, e.g. by expressly running detection only the
757     // master rank for thread-MPI, rather than relying on the mutex
758     // and reference count.
759     PhysicalNodeCommunicator physicalNodeComm(communicator, gmx_physicalnode_id_hash());
760     hwinfo = gmx_detect_hardware(mdlog, physicalNodeComm);
761
762     gmx_print_detected_hardware(fplog, isSimulationMasterRank && isMasterSim(ms), mdlog, hwinfo);
763
764     std::vector<int> gpuIdsToUse = makeGpuIdsToUse(hwinfo->gpu_info, hw_opt.gpuIdsAvailable);
765
766     // Print citation requests after all software/hardware printing
767     pleaseCiteGromacs(fplog);
768
769     // TODO Replace this by unique_ptr once t_inputrec is C++
770     t_inputrec               inputrecInstance;
771     t_inputrec*              inputrec = nullptr;
772     std::unique_ptr<t_state> globalState;
773
774     auto partialDeserializedTpr = std::make_unique<PartialDeserializedTprFile>();
775
776     if (isSimulationMasterRank)
777     {
778         /* Only the master rank has the global state */
779         globalState = std::make_unique<t_state>();
780
781         /* Read (nearly) all data required for the simulation
782          * and keep the partly serialized tpr contents to send to other ranks later
783          */
784         *partialDeserializedTpr = read_tpx_state(ftp2fn(efTPR, filenames.size(), filenames.data()),
785                                                  &inputrecInstance, globalState.get(), &mtop);
786         inputrec                = &inputrecInstance;
787     }
788
789     /* Check and update the hardware options for internal consistency */
790     checkAndUpdateHardwareOptions(mdlog, &hw_opt, isSimulationMasterRank, domdecOptions.numPmeRanks,
791                                   inputrec);
792
793     if (GMX_THREAD_MPI && isSimulationMasterRank)
794     {
795         bool useGpuForNonbonded = false;
796         bool useGpuForPme       = false;
797         try
798         {
799             GMX_RELEASE_ASSERT(inputrec != nullptr, "Keep the compiler happy");
800
801             // If the user specified the number of ranks, then we must
802             // respect that, but in default mode, we need to allow for
803             // the number of GPUs to choose the number of ranks.
804             auto canUseGpuForNonbonded = buildSupportsNonbondedOnGpu(nullptr);
805             useGpuForNonbonded         = decideWhetherToUseGpusForNonbondedWithThreadMpi(
806                     nonbondedTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, emulateGpuNonbonded,
807                     canUseGpuForNonbonded,
808                     gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, *inputrec, GMX_THREAD_MPI),
809                     hw_opt.nthreads_tmpi);
810             useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPmeWithThreadMpi(
811                     useGpuForNonbonded, pmeTarget, gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, *hwinfo,
812                     *inputrec, mtop, hw_opt.nthreads_tmpi, domdecOptions.numPmeRanks);
813         }
814         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
815
816         /* Determine how many thread-MPI ranks to start.
817          *
818          * TODO Over-writing the user-supplied value here does
819          * prevent any possible subsequent checks from working
820          * correctly. */
821         hw_opt.nthreads_tmpi = get_nthreads_mpi(hwinfo, &hw_opt, gpuIdsToUse, useGpuForNonbonded,
822                                                 useGpuForPme, inputrec, &mtop, mdlog, doMembed);
823
824         // Now start the threads for thread MPI.
825         spawnThreads(hw_opt.nthreads_tmpi);
826         // The spawned threads enter mdrunner() and execution of
827         // master and spawned threads joins at the end of this block.
828         physicalNodeComm = PhysicalNodeCommunicator(communicator, gmx_physicalnode_id_hash());
829     }
830
831     GMX_RELEASE_ASSERT(communicator == MPI_COMM_WORLD, "Must have valid world communicator");
832     CommrecHandle crHandle = init_commrec(communicator, ms);
833     t_commrec*    cr       = crHandle.get();
834     GMX_RELEASE_ASSERT(cr != nullptr, "Must have valid commrec");
835
836     if (PAR(cr))
837     {
838         /* now broadcast everything to the non-master nodes/threads: */
839         if (!isSimulationMasterRank)
840         {
841             inputrec = &inputrecInstance;
842         }
843         init_parallel(cr, inputrec, &mtop, partialDeserializedTpr.get());
844     }
845     GMX_RELEASE_ASSERT(inputrec != nullptr, "All ranks should have a valid inputrec now");
846     partialDeserializedTpr.reset(nullptr);
847
848     // Now the number of ranks is known to all ranks, and each knows
849     // the inputrec read by the master rank. The ranks can now all run
850     // the task-deciding functions and will agree on the result
851     // without needing to communicate.
852     const bool useDomainDecomposition = (PAR(cr) && !(EI_TPI(inputrec->eI) || inputrec->eI == eiNM));
853
854     // Note that these variables describe only their own node.
855     //
856     // Note that when bonded interactions run on a GPU they always run
857     // alongside a nonbonded task, so do not influence task assignment
858     // even though they affect the force calculation workload.
859     bool useGpuForNonbonded = false;
860     bool useGpuForPme       = false;
861     bool useGpuForBonded    = false;
862     bool useGpuForUpdate    = false;
863     bool gpusWereDetected   = hwinfo->ngpu_compatible_tot > 0;
864     try
865     {
866         // It's possible that there are different numbers of GPUs on
867         // different nodes, which is the user's responsibility to
868         // handle. If unsuitable, we will notice that during task
869         // assignment.
870         auto canUseGpuForNonbonded = buildSupportsNonbondedOnGpu(nullptr);
871         useGpuForNonbonded         = decideWhetherToUseGpusForNonbonded(
872                 nonbondedTarget, userGpuTaskAssignment, emulateGpuNonbonded, canUseGpuForNonbonded,
873                 gpuAccelerationOfNonbondedIsUseful(mdlog, *inputrec, !GMX_THREAD_MPI), gpusWereDetected);
874         useGpuForPme = decideWhetherToUseGpusForPme(
875                 useGpuForNonbonded, pmeTarget, userGpuTaskAssignment, *hwinfo, *inputrec, mtop,
876                 cr->nnodes, domdecOptions.numPmeRanks, gpusWereDetected);
877         auto canUseGpuForBonded = buildSupportsGpuBondeds(nullptr)
878                                   && inputSupportsGpuBondeds(*inputrec, mtop, nullptr);
879         useGpuForBonded = decideWhetherToUseGpusForBonded(
880                 useGpuForNonbonded, useGpuForPme, bondedTarget, canUseGpuForBonded,
881                 EVDW_PME(inputrec->vdwtype), EEL_PME_EWALD(inputrec->coulombtype),
882                 domdecOptions.numPmeRanks, gpusWereDetected);
883     }
884     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
885
886     const PmeRunMode pmeRunMode = determinePmeRunMode(useGpuForPme, pmeFftTarget, *inputrec);
887
888     // Initialize development feature flags that enabled by environment variable
889     // and report those features that are enabled.
890     const DevelopmentFeatureFlags devFlags =
891             manageDevelopmentFeatures(mdlog, useGpuForNonbonded, pmeRunMode);
892
893     // Build restraints.
894     // TODO: hide restraint implementation details from Mdrunner.
895     // There is nothing unique about restraints at this point as far as the
896     // Mdrunner is concerned. The Mdrunner should just be getting a sequence of
897     // factory functions from the SimulationContext on which to call mdModules_->add().
898     // TODO: capture all restraints into a single RestraintModule, passed to the runner builder.
899     for (auto&& restraint : restraintManager_->getRestraints())
900     {
901         auto module = RestraintMDModule::create(restraint, restraint->sites());
902         mdModules_->add(std::move(module));
903     }
904
905     // TODO: Error handling
906     mdModules_->assignOptionsToModules(*inputrec->params, nullptr);
907     const auto& mdModulesNotifier = mdModules_->notifier().notifier_;
908
909     if (inputrec->internalParameters != nullptr)
910     {
911         mdModulesNotifier.notify(*inputrec->internalParameters);
912     }
913
914     if (fplog != nullptr)
915     {
916         pr_inputrec(fplog, 0, "Input Parameters", inputrec, FALSE);
917         fprintf(fplog, "\n");
918     }
919
920     if (SIMMASTER(cr))
921     {
922         /* In rerun, set velocities to zero if present */
923         if (doRerun && ((globalState->flags & (1 << estV)) != 0))
924         {
925             // rerun does not use velocities
926             GMX_LOG(mdlog.info)
927                     .asParagraph()
928                     .appendText(
929                             "Rerun trajectory contains velocities. Rerun does only evaluate "
930                             "potential energy and forces. The velocities will be ignored.");
931             for (int i = 0; i < globalState->natoms; i++)
932             {
933                 clear_rvec(globalState->v[i]);
934             }
935             globalState->flags &= ~(1 << estV);
936         }
937
938         /* now make sure the state is initialized and propagated */
939         set_state_entries(globalState.get(), inputrec);
940     }
941
942     /* NM and TPI parallelize over force/energy calculations, not atoms,
943      * so we need to initialize and broadcast the global state.
944      */
945     if (inputrec->eI == eiNM || inputrec->eI == eiTPI)
946     {
947         if (!MASTER(cr))
948         {
949             globalState = std::make_unique<t_state>();
950         }
951         broadcastStateWithoutDynamics(cr, globalState.get());
952     }
953
954     /* A parallel command line option consistency check that we can
955        only do after any threads have started. */
956     if (!PAR(cr)
957         && (domdecOptions.numCells[XX] > 1 || domdecOptions.numCells[YY] > 1
958             || domdecOptions.numCells[ZZ] > 1 || domdecOptions.numPmeRanks > 0))
959     {
960         gmx_fatal(FARGS,
961                   "The -dd or -npme option request a parallel simulation, "
962 #if !GMX_MPI
963                   "but %s was compiled without threads or MPI enabled",
964                   output_env_get_program_display_name(oenv));
965 #elif GMX_THREAD_MPI
966                   "but the number of MPI-threads (option -ntmpi) is not set or is 1");
967 #else
968                   "but %s was not started through mpirun/mpiexec or only one rank was requested "
969                   "through mpirun/mpiexec",
970                   output_env_get_program_display_name(oenv));
971 #endif
972     }
973
974     if (doRerun && (EI_ENERGY_MINIMIZATION(inputrec->eI) || eiNM == inputrec->eI))
975     {
976         gmx_fatal(FARGS,
977                   "The .mdp file specified an energy mininization or normal mode algorithm, and "
978                   "these are not compatible with mdrun -rerun");
979     }
980
981     if (!(EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype)))
982     {
983         if (domdecOptions.numPmeRanks > 0)
984         {
985             gmx_fatal_collective(FARGS, cr->mpi_comm_mysim, MASTER(cr),
986                                  "PME-only ranks are requested, but the system does not use PME "
987                                  "for electrostatics or LJ");
988         }
989
990         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
991     }
992
993     if (useGpuForNonbonded && domdecOptions.numPmeRanks < 0)
994     {
995         /* With NB GPUs we don't automatically use PME-only CPU ranks. PME ranks can
996          * improve performance with many threads per GPU, since our OpenMP
997          * scaling is bad, but it's difficult to automate the setup.
998          */
999         domdecOptions.numPmeRanks = 0;
1000     }
1001     if (useGpuForPme)
1002     {
1003         if (domdecOptions.numPmeRanks < 0)
1004         {
1005             domdecOptions.numPmeRanks = 0;
1006             // TODO possibly print a note that one can opt-in for a separate PME GPU rank?
1007         }
1008         else
1009         {
1010             GMX_RELEASE_ASSERT(domdecOptions.numPmeRanks <= 1,
1011                                "PME GPU decomposition is not supported");
1012         }
1013     }
1014
1015 #if GMX_FAHCORE
1016     if (MASTER(cr))
1017     {
1018         fcRegisterSteps(inputrec->nsteps, inputrec->init_step);
1019     }
1020 #endif
1021
1022     /* NMR restraints must be initialized before load_checkpoint,
1023      * since with time averaging the history is added to t_state.
1024      * For proper consistency check we therefore need to extend
1025      * t_state here.
1026      * So the PME-only nodes (if present) will also initialize
1027      * the distance restraints.
1028      */
1029     snew(fcd, 1);
1030
1031     /* This needs to be called before read_checkpoint to extend the state */
1032     init_disres(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, fcd, globalState.get(), replExParams.exchangeInterval > 0);
1033
1034     init_orires(fplog, &mtop, inputrec, cr, ms, globalState.get(), &(fcd->orires));
1035
1036     auto deform = prepareBoxDeformation(globalState->box, cr, *inputrec);
1037
1038     ObservablesHistory observablesHistory = {};
1039
1040     if (startingBehavior != StartingBehavior::NewSimulation)
1041     {
1042         /* Check if checkpoint file exists before doing continuation.
1043          * This way we can use identical input options for the first and subsequent runs...
1044          */
1045         if (mdrunOptions.numStepsCommandline > -2)
1046         {
1047             /* Temporarily set the number of steps to unlimited to avoid
1048              * triggering the nsteps check in load_checkpoint().
1049              * This hack will go away soon when the -nsteps option is removed.
1050              */
1051             inputrec->nsteps = -1;
1052         }
1053
1054         load_checkpoint(opt2fn_master("-cpi", filenames.size(), filenames.data(), cr),
1055                         logFileHandle, cr, domdecOptions.numCells, inputrec, globalState.get(),
1056                         &observablesHistory, mdrunOptions.reproducible, mdModules_->notifier());
1057
1058         if (startingBehavior == StartingBehavior::RestartWithAppending && logFileHandle)
1059         {
1060             // Now we can start normal logging to the truncated log file.
1061             fplog = gmx_fio_getfp(logFileHandle);
1062             prepareLogAppending(fplog);
1063             logOwner = buildLogger(fplog, MASTER(cr));
1064             mdlog    = logOwner.logger();
1065         }
1066     }
1067
1068     if (mdrunOptions.numStepsCommandline > -2)
1069     {
1070         GMX_LOG(mdlog.info)
1071                 .asParagraph()
1072                 .appendText(
1073                         "The -nsteps functionality is deprecated, and may be removed in a future "
1074                         "version. "
1075                         "Consider using gmx convert-tpr -nsteps or changing the appropriate .mdp "
1076                         "file field.");
1077     }
1078     /* override nsteps with value set on the commandline */
1079     override_nsteps_cmdline(mdlog, mdrunOptions.numStepsCommandline, inputrec);
1080
1081     if (SIMMASTER(cr))
1082     {
1083         copy_mat(globalState->box, box);
1084     }
1085
1086     if (PAR(cr))
1087     {
1088         gmx_bcast(sizeof(box), box, cr);
1089     }
1090
1091     if (inputrec->cutoff_scheme != ecutsVERLET)
1092     {
1093         gmx_fatal(FARGS,
1094                   "This group-scheme .tpr file can no longer be run by mdrun. Please update to the "
1095                   "Verlet scheme, or use an earlier version of GROMACS if necessary.");
1096     }
1097     /* Update rlist and nstlist. */
1098     prepare_verlet_scheme(fplog, cr, inputrec, nstlist_cmdline, &mtop, box,
1099                           useGpuForNonbonded || (emulateGpuNonbonded == EmulateGpuNonbonded::Yes),
1100                           *hwinfo->cpuInfo);
1101
1102     const bool prefer1DAnd1PulseDD = (devFlags.enableGpuHaloExchange && useGpuForNonbonded);
1103     // This builder is necessary while we have multi-part construction
1104     // of DD. Before DD is constructed, we use the existence of
1105     // the builder object to indicate that further construction of DD
1106     // is needed.
1107     std::unique_ptr<DomainDecompositionBuilder> ddBuilder;
1108     if (useDomainDecomposition)
1109     {
1110         ddBuilder = std::make_unique<DomainDecompositionBuilder>(
1111                 mdlog, cr, domdecOptions, mdrunOptions, prefer1DAnd1PulseDD, mtop, *inputrec, box,
1112                 positionsFromStatePointer(globalState.get()));
1113     }
1114     else
1115     {
1116         /* PME, if used, is done on all nodes with 1D decomposition */
1117         cr->npmenodes = 0;
1118         cr->duty      = (DUTY_PP | DUTY_PME);
1119
1120         if (inputrec->pbcType == PbcType::Screw)
1121         {
1122             gmx_fatal(FARGS, "pbc=screw is only implemented with domain decomposition");
1123         }
1124     }
1125
1126     // Produce the task assignment for this rank.
1127     GpuTaskAssignmentsBuilder gpuTaskAssignmentsBuilder;
1128     GpuTaskAssignments        gpuTaskAssignments = gpuTaskAssignmentsBuilder.build(
1129             gpuIdsToUse, userGpuTaskAssignment, *hwinfo, communicator, physicalNodeComm,
1130             nonbondedTarget, pmeTarget, bondedTarget, updateTarget, useGpuForNonbonded,
1131             useGpuForPme, thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP),
1132             // TODO cr->duty & DUTY_PME should imply that a PME
1133             // algorithm is active, but currently does not.
1134             EEL_PME(inputrec->coulombtype) && thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME));
1135
1136     // Get the device handles for the modules, nullptr when no task is assigned.
1137     gmx_device_info_t* nonbondedDeviceInfo = gpuTaskAssignments.initNonbondedDevice(cr);
1138     gmx_device_info_t* pmeDeviceInfo       = gpuTaskAssignments.initPmeDevice();
1139
1140     // TODO Initialize GPU streams here.
1141
1142     // TODO Currently this is always built, yet DD partition code
1143     // checks if it is built before using it. Probably it should
1144     // become an MDModule that is made only when another module
1145     // requires it (e.g. pull, CompEl, density fitting), so that we
1146     // don't update the local atom sets unilaterally every step.
1147     LocalAtomSetManager atomSets;
1148     if (ddBuilder)
1149     {
1150         // TODO Pass the GPU streams to ddBuilder to use in buffer
1151         // transfers (e.g. halo exchange)
1152         cr->dd = ddBuilder->build(&atomSets);
1153         // The builder's job is done, so destruct it
1154         ddBuilder.reset(nullptr);
1155         // Note that local state still does not exist yet.
1156     }
1157
1158     // The GPU update is decided here because we need to know whether the constraints or
1159     // SETTLEs can span accross the domain borders (i.e. whether or not update groups are
1160     // defined). This is only known after DD is initialized, hence decision on using GPU
1161     // update is done so late.
1162     try
1163     {
1164         const bool useUpdateGroups = cr->dd ? ddUsesUpdateGroups(*cr->dd) : false;
1165
1166         useGpuForUpdate = decideWhetherToUseGpuForUpdate(
1167                 devFlags.forceGpuUpdateDefault, useDomainDecomposition, useUpdateGroups, pmeRunMode,
1168                 domdecOptions.numPmeRanks > 0, useGpuForNonbonded, updateTarget, gpusWereDetected,
1169                 *inputrec, mtop, doEssentialDynamics, gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_ORIRES) > 0,
1170                 replExParams.exchangeInterval > 0, doRerun, mdlog);
1171     }
1172     GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
1173
1174     const bool printHostName = (cr->nnodes > 1);
1175     gpuTaskAssignments.reportGpuUsage(mdlog, printHostName, useGpuForBonded, pmeRunMode, useGpuForUpdate);
1176
1177     // If the user chose a task assignment, give them some hints
1178     // where appropriate.
1179     if (!userGpuTaskAssignment.empty())
1180     {
1181         gpuTaskAssignments.logPerformanceHints(mdlog, ssize(gpuIdsToUse));
1182     }
1183
1184     if (PAR(cr))
1185     {
1186         /* After possible communicator splitting in make_dd_communicators.
1187          * we can set up the intra/inter node communication.
1188          */
1189         gmx_setup_nodecomm(fplog, cr);
1190     }
1191
1192 #if GMX_MPI
1193     if (isMultiSim(ms))
1194     {
1195         GMX_LOG(mdlog.warning)
1196                 .asParagraph()
1197                 .appendTextFormatted(
1198                         "This is simulation %d out of %d running as a composite GROMACS\n"
1199                         "multi-simulation job. Setup for this simulation:\n",
1200                         ms->sim, ms->nsim);
1201     }
1202     GMX_LOG(mdlog.warning)
1203             .appendTextFormatted("Using %d MPI %s\n", cr->nnodes,
1204 #    if GMX_THREAD_MPI
1205                                  cr->nnodes == 1 ? "thread" : "threads"
1206 #    else
1207                                  cr->nnodes == 1 ? "process" : "processes"
1208 #    endif
1209             );
1210     fflush(stderr);
1211 #endif
1212
1213     // If mdrun -pin auto honors any affinity setting that already
1214     // exists. If so, it is nice to provide feedback about whether
1215     // that existing affinity setting was from OpenMP or something
1216     // else, so we run this code both before and after we initialize
1217     // the OpenMP support.
1218     gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, FALSE);
1219     /* Check and update the number of OpenMP threads requested */
1220     checkAndUpdateRequestedNumOpenmpThreads(&hw_opt, *hwinfo, cr, ms, physicalNodeComm.size_,
1221                                             pmeRunMode, mtop, *inputrec);
1222
1223     gmx_omp_nthreads_init(mdlog, cr, hwinfo->nthreads_hw_avail, physicalNodeComm.size_,
1224                           hw_opt.nthreads_omp, hw_opt.nthreads_omp_pme, !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP));
1225
1226     // Enable FP exception detection, but not in
1227     // Release mode and not for compilers with known buggy FP
1228     // exception support (clang with any optimization) or suspected
1229     // buggy FP exception support (gcc 7.* with optimization).
1230 #if !defined NDEBUG                                                                         \
1231         && !((defined __clang__ || (defined(__GNUC__) && !defined(__ICC) && __GNUC__ == 7)) \
1232              && defined __OPTIMIZE__)
1233     const bool bEnableFPE = true;
1234 #else
1235     const bool bEnableFPE = false;
1236 #endif
1237     // FIXME - reconcile with gmx_feenableexcept() call from CommandLineModuleManager::run()
1238     if (bEnableFPE)
1239     {
1240         gmx_feenableexcept();
1241     }
1242
1243     /* Now that we know the setup is consistent, check for efficiency */
1244     check_resource_division_efficiency(hwinfo, gpuTaskAssignments.thisRankHasAnyGpuTask(),
1245                                        mdrunOptions.ntompOptionIsSet, cr, mdlog);
1246
1247     /* getting number of PP/PME threads on this MPI / tMPI rank.
1248        PME: env variable should be read only on one node to make sure it is
1249        identical everywhere;
1250      */
1251     const int numThreadsOnThisRank = thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded)
1252                                                                   : gmx_omp_nthreads_get(emntPME);
1253     checkHardwareOversubscription(numThreadsOnThisRank, cr->nodeid, *hwinfo->hardwareTopology,
1254                                   physicalNodeComm, mdlog);
1255
1256     // Enable Peer access between GPUs where available
1257     // Only for DD, only master PP rank needs to perform setup, and only if thread MPI plus
1258     // any of the GPU communication features are active.
1259     if (DOMAINDECOMP(cr) && MASTER(cr) && thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) && GMX_THREAD_MPI
1260         && (devFlags.enableGpuHaloExchange || devFlags.enableGpuPmePPComm))
1261     {
1262         setupGpuDevicePeerAccess(gpuIdsToUse, mdlog);
1263     }
1264
1265     if (hw_opt.threadAffinity != ThreadAffinity::Off)
1266     {
1267         /* Before setting affinity, check whether the affinity has changed
1268          * - which indicates that probably the OpenMP library has changed it
1269          * since we first checked).
1270          */
1271         gmx_check_thread_affinity_set(mdlog, &hw_opt, hwinfo->nthreads_hw_avail, TRUE);
1272
1273         int numThreadsOnThisNode, intraNodeThreadOffset;
1274         analyzeThreadsOnThisNode(physicalNodeComm, numThreadsOnThisRank, &numThreadsOnThisNode,
1275                                  &intraNodeThreadOffset);
1276
1277         /* Set the CPU affinity */
1278         gmx_set_thread_affinity(mdlog, cr, &hw_opt, *hwinfo->hardwareTopology, numThreadsOnThisRank,
1279                                 numThreadsOnThisNode, intraNodeThreadOffset, nullptr);
1280     }
1281
1282     if (mdrunOptions.timingOptions.resetStep > -1)
1283     {
1284         GMX_LOG(mdlog.info)
1285                 .asParagraph()
1286                 .appendText(
1287                         "The -resetstep functionality is deprecated, and may be removed in a "
1288                         "future version.");
1289     }
1290     wcycle = wallcycle_init(fplog, mdrunOptions.timingOptions.resetStep, cr);
1291
1292     if (PAR(cr))
1293     {
1294         /* Master synchronizes its value of reset_counters with all nodes
1295          * including PME only nodes */
1296         int64_t reset_counters = wcycle_get_reset_counters(wcycle);
1297         gmx_bcast_sim(sizeof(reset_counters), &reset_counters, cr);
1298         wcycle_set_reset_counters(wcycle, reset_counters);
1299     }
1300
1301     // Membrane embedding must be initialized before we call init_forcerec()
1302     if (doMembed)
1303     {
1304         if (MASTER(cr))
1305         {
1306             fprintf(stderr, "Initializing membed");
1307         }
1308         /* Note that membed cannot work in parallel because mtop is
1309          * changed here. Fix this if we ever want to make it run with
1310          * multiple ranks. */
1311         membed = init_membed(fplog, filenames.size(), filenames.data(), &mtop, inputrec,
1312                              globalState.get(), cr, &mdrunOptions.checkpointOptions.period);
1313     }
1314
1315     const bool                   thisRankHasPmeGpuTask = gpuTaskAssignments.thisRankHasPmeGpuTask();
1316     std::unique_ptr<MDAtoms>     mdAtoms;
1317     std::unique_ptr<gmx_vsite_t> vsite;
1318
1319     t_nrnb nrnb;
1320     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1321     {
1322         mdModulesNotifier.notify(*cr);
1323         mdModulesNotifier.notify(&atomSets);
1324         mdModulesNotifier.notify(PeriodicBoundaryConditionType{ inputrec->pbcType });
1325         mdModulesNotifier.notify(SimulationTimeStep{ inputrec->delta_t });
1326         /* Initiate forcerecord */
1327         fr                 = new t_forcerec;
1328         fr->forceProviders = mdModules_->initForceProviders();
1329         init_forcerec(fplog, mdlog, fr, fcd, inputrec, &mtop, cr, box,
1330                       opt2fn("-table", filenames.size(), filenames.data()),
1331                       opt2fn("-tablep", filenames.size(), filenames.data()),
1332                       opt2fns("-tableb", filenames.size(), filenames.data()), *hwinfo,
1333                       nonbondedDeviceInfo, useGpuForBonded,
1334                       pmeRunMode == PmeRunMode::GPU && !thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME), pforce, wcycle);
1335
1336         // TODO Move this to happen during domain decomposition setup,
1337         // once stream and event handling works well with that.
1338         // TODO remove need to pass local stream into GPU halo exchange - Redmine #3093
1339         if (havePPDomainDecomposition(cr) && prefer1DAnd1PulseDD && is1DAnd1PulseDD(*cr->dd))
1340         {
1341             GMX_RELEASE_ASSERT(devFlags.enableGpuBufferOps,
1342                                "Must use GMX_USE_GPU_BUFFER_OPS=1 to use GMX_GPU_DD_COMMS=1");
1343             void* streamLocal =
1344                     Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::Local);
1345             void* streamNonLocal =
1346                     Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::NonLocal);
1347             GMX_LOG(mdlog.warning)
1348                     .asParagraph()
1349                     .appendTextFormatted(
1350                             "NOTE: This run uses the 'GPU halo exchange' feature, enabled by the "
1351                             "GMX_GPU_DD_COMMS environment variable.");
1352             cr->dd->gpuHaloExchange = std::make_unique<GpuHaloExchange>(
1353                     cr->dd, cr->mpi_comm_mysim, streamLocal, streamNonLocal);
1354         }
1355
1356         /* Initialize the mdAtoms structure.
1357          * mdAtoms is not filled with atom data,
1358          * as this can not be done now with domain decomposition.
1359          */
1360         mdAtoms = makeMDAtoms(fplog, mtop, *inputrec, thisRankHasPmeGpuTask);
1361         if (globalState && thisRankHasPmeGpuTask)
1362         {
1363             // The pinning of coordinates in the global state object works, because we only use
1364             // PME on GPU without DD or on a separate PME rank, and because the local state pointer
1365             // points to the global state object without DD.
1366             // FIXME: MD and EM separately set up the local state - this should happen in the same
1367             // function, which should also perform the pinning.
1368             changePinningPolicy(&globalState->x, pme_get_pinning_policy());
1369         }
1370
1371         /* Initialize the virtual site communication */
1372         vsite = initVsite(mtop, cr);
1373
1374         calc_shifts(box, fr->shift_vec);
1375
1376         /* With periodic molecules the charge groups should be whole at start up
1377          * and the virtual sites should not be far from their proper positions.
1378          */
1379         if (!inputrec->bContinuation && MASTER(cr)
1380             && !(inputrec->pbcType != PbcType::No && inputrec->bPeriodicMols))
1381         {
1382             /* Make molecules whole at start of run */
1383             if (fr->pbcType != PbcType::No)
1384             {
1385                 do_pbc_first_mtop(fplog, inputrec->pbcType, box, &mtop, globalState->x.rvec_array());
1386             }
1387             if (vsite)
1388             {
1389                 /* Correct initial vsite positions are required
1390                  * for the initial distribution in the domain decomposition
1391                  * and for the initial shell prediction.
1392                  */
1393                 constructVsitesGlobal(mtop, globalState->x);
1394             }
1395         }
1396
1397         if (EEL_PME(fr->ic->eeltype) || EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1398         {
1399             ewaldcoeff_q  = fr->ic->ewaldcoeff_q;
1400             ewaldcoeff_lj = fr->ic->ewaldcoeff_lj;
1401         }
1402     }
1403     else
1404     {
1405         /* This is a PME only node */
1406
1407         GMX_ASSERT(globalState == nullptr,
1408                    "We don't need the state on a PME only rank and expect it to be unitialized");
1409
1410         ewaldcoeff_q  = calc_ewaldcoeff_q(inputrec->rcoulomb, inputrec->ewald_rtol);
1411         ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(inputrec->rvdw, inputrec->ewald_rtol_lj);
1412     }
1413
1414     gmx_pme_t* sepPmeData = nullptr;
1415     // This reference hides the fact that PME data is owned by runner on PME-only ranks and by forcerec on other ranks
1416     GMX_ASSERT(thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP) == (fr != nullptr),
1417                "Double-checking that only PME-only ranks have no forcerec");
1418     gmx_pme_t*& pmedata = fr ? fr->pmedata : sepPmeData;
1419
1420     // TODO should live in ewald module once its testing is improved
1421     //
1422     // Later, this program could contain kernels that might be later
1423     // re-used as auto-tuning progresses, or subsequent simulations
1424     // are invoked.
1425     PmeGpuProgramStorage pmeGpuProgram;
1426     if (thisRankHasPmeGpuTask)
1427     {
1428         pmeGpuProgram = buildPmeGpuProgram(pmeDeviceInfo);
1429     }
1430
1431     /* Initiate PME if necessary,
1432      * either on all nodes or on dedicated PME nodes only. */
1433     if (EEL_PME(inputrec->coulombtype) || EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1434     {
1435         if (mdAtoms && mdAtoms->mdatoms())
1436         {
1437             nChargePerturbed = mdAtoms->mdatoms()->nChargePerturbed;
1438             if (EVDW_PME(inputrec->vdwtype))
1439             {
1440                 nTypePerturbed = mdAtoms->mdatoms()->nTypePerturbed;
1441             }
1442         }
1443         if (cr->npmenodes > 0)
1444         {
1445             /* The PME only nodes need to know nChargePerturbed(FEP on Q) and nTypePerturbed(FEP on LJ)*/
1446             gmx_bcast_sim(sizeof(nChargePerturbed), &nChargePerturbed, cr);
1447             gmx_bcast_sim(sizeof(nTypePerturbed), &nTypePerturbed, cr);
1448         }
1449
1450         if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
1451         {
1452             try
1453             {
1454                 pmedata = gmx_pme_init(cr, getNumPmeDomains(cr->dd), inputrec, nChargePerturbed != 0,
1455                                        nTypePerturbed != 0, mdrunOptions.reproducible, ewaldcoeff_q,
1456                                        ewaldcoeff_lj, gmx_omp_nthreads_get(emntPME), pmeRunMode,
1457                                        nullptr, pmeDeviceInfo, pmeGpuProgram.get(), mdlog);
1458             }
1459             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
1460         }
1461     }
1462
1463
1464     if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI))
1465     {
1466         /* Turn on signal handling on all nodes */
1467         /*
1468          * (A user signal from the PME nodes (if any)
1469          * is communicated to the PP nodes.
1470          */
1471         signal_handler_install();
1472     }
1473
1474     pull_t* pull_work = nullptr;
1475     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
1476     {
1477         /* Assumes uniform use of the number of OpenMP threads */
1478         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntDefault));
1479
1480         if (inputrec->bPull)
1481         {
1482             /* Initialize pull code */
1483             pull_work = init_pull(fplog, inputrec->pull, inputrec, &mtop, cr, &atomSets,
1484                                   inputrec->fepvals->init_lambda);
1485             if (inputrec->pull->bXOutAverage || inputrec->pull->bFOutAverage)
1486             {
1487                 initPullHistory(pull_work, &observablesHistory);
1488             }
1489             if (EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && MASTER(cr))
1490             {
1491                 init_pull_output_files(pull_work, filenames.size(), filenames.data(), oenv, startingBehavior);
1492             }
1493         }
1494
1495         std::unique_ptr<EnforcedRotation> enforcedRotation;
1496         if (inputrec->bRot)
1497         {
1498             /* Initialize enforced rotation code */
1499             enforcedRotation =
1500                     init_rot(fplog, inputrec, filenames.size(), filenames.data(), cr, &atomSets,
1501                              globalState.get(), &mtop, oenv, mdrunOptions, startingBehavior);
1502         }
1503
1504         t_swap* swap = nullptr;
1505         if (inputrec->eSwapCoords != eswapNO)
1506         {
1507             /* Initialize ion swapping code */
1508             swap = init_swapcoords(fplog, inputrec,
1509                                    opt2fn_master("-swap", filenames.size(), filenames.data(), cr),
1510                                    &mtop, globalState.get(), &observablesHistory, cr, &atomSets,
1511                                    oenv, mdrunOptions, startingBehavior);
1512         }
1513
1514         /* Let makeConstraints know whether we have essential dynamics constraints. */
1515         auto constr = makeConstraints(mtop, *inputrec, pull_work, doEssentialDynamics, fplog,
1516                                       *mdAtoms->mdatoms(), cr, ms, &nrnb, wcycle, fr->bMolPBC);
1517
1518         /* Energy terms and groups */
1519         gmx_enerdata_t enerd(mtop.groups.groups[SimulationAtomGroupType::EnergyOutput].size(),
1520                              inputrec->fepvals->n_lambda);
1521
1522         /* Kinetic energy data */
1523         gmx_ekindata_t ekind;
1524         init_ekindata(fplog, &mtop, &(inputrec->opts), &ekind, inputrec->cos_accel);
1525
1526         /* Set up interactive MD (IMD) */
1527         auto imdSession =
1528                 makeImdSession(inputrec, cr, wcycle, &enerd, ms, &mtop, mdlog,
1529                                MASTER(cr) ? globalState->x.rvec_array() : nullptr, filenames.size(),
1530                                filenames.data(), oenv, mdrunOptions.imdOptions, startingBehavior);
1531
1532         if (DOMAINDECOMP(cr))
1533         {
1534             GMX_RELEASE_ASSERT(fr, "fr was NULL while cr->duty was DUTY_PP");
1535             /* This call is not included in init_domain_decomposition mainly
1536              * because fr->cginfo_mb is set later.
1537              */
1538             dd_init_bondeds(fplog, cr->dd, mtop, vsite.get(), inputrec,
1539                             domdecOptions.checkBondedInteractions, fr->cginfo_mb);
1540         }
1541
1542         const bool inputIsCompatibleWithModularSimulator = ModularSimulator::isInputCompatible(
1543                 false, inputrec, doRerun, vsite.get(), ms, replExParams, fcd,
1544                 static_cast<int>(filenames.size()), filenames.data(), &observablesHistory, membed);
1545
1546         const bool useModularSimulator = inputIsCompatibleWithModularSimulator
1547                                          && !(getenv("GMX_DISABLE_MODULAR_SIMULATOR") != nullptr);
1548
1549         // TODO This is not the right place to manage the lifetime of
1550         // this data structure, but currently it's the easiest way to
1551         // make it work.
1552         MdrunScheduleWorkload runScheduleWork;
1553         // Also populates the simulation constant workload description.
1554         runScheduleWork.simulationWork = createSimulationWorkload(
1555                 useGpuForNonbonded, pmeRunMode, useGpuForBonded, useGpuForUpdate,
1556                 devFlags.enableGpuBufferOps, devFlags.enableGpuHaloExchange,
1557                 devFlags.enableGpuPmePPComm, haveEwaldSurfaceContribution(*inputrec));
1558
1559         std::unique_ptr<gmx::StatePropagatorDataGpu> stateGpu;
1560         if (gpusWereDetected
1561             && ((useGpuForPme && thisRankHasDuty(cr, DUTY_PME))
1562                 || runScheduleWork.simulationWork.useGpuBufferOps))
1563         {
1564             const void* pmeStream = pme_gpu_get_device_stream(fr->pmedata);
1565             const void* localStream =
1566                     fr->nbv->gpu_nbv != nullptr
1567                             ? Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::Local)
1568                             : nullptr;
1569             const void* nonLocalStream =
1570                     fr->nbv->gpu_nbv != nullptr
1571                             ? Nbnxm::gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, InteractionLocality::NonLocal)
1572                             : nullptr;
1573             const void*        deviceContext = pme_gpu_get_device_context(fr->pmedata);
1574             const int          paddingSize   = pme_gpu_get_padding_size(fr->pmedata);
1575             GpuApiCallBehavior transferKind = (inputrec->eI == eiMD && !doRerun && !useModularSimulator)
1576                                                       ? GpuApiCallBehavior::Async
1577                                                       : GpuApiCallBehavior::Sync;
1578
1579             stateGpu = std::make_unique<gmx::StatePropagatorDataGpu>(
1580                     pmeStream, localStream, nonLocalStream, deviceContext, transferKind, paddingSize, wcycle);
1581             fr->stateGpu = stateGpu.get();
1582         }
1583
1584         GMX_ASSERT(stopHandlerBuilder_, "Runner must provide StopHandlerBuilder to simulator.");
1585         SimulatorBuilder simulatorBuilder;
1586
1587         // build and run simulator object based on user-input
1588         auto simulator = simulatorBuilder.build(
1589                 inputIsCompatibleWithModularSimulator, fplog, cr, ms, mdlog,
1590                 static_cast<int>(filenames.size()), filenames.data(), oenv, mdrunOptions,
1591                 startingBehavior, vsite.get(), constr.get(),
1592                 enforcedRotation ? enforcedRotation->getLegacyEnfrot() : nullptr, deform.get(),
1593                 mdModules_->outputProvider(), mdModules_->notifier(), inputrec, imdSession.get(),
1594                 pull_work, swap, &mtop, fcd, globalState.get(), &observablesHistory, mdAtoms.get(),
1595                 &nrnb, wcycle, fr, &enerd, &ekind, &runScheduleWork, replExParams, membed,
1596                 walltime_accounting, std::move(stopHandlerBuilder_), doRerun);
1597         simulator->run();
1598
1599         if (fr->pmePpCommGpu)
1600         {
1601             // destroy object since it is no longer required. (This needs to be done while the GPU context still exists.)
1602             fr->pmePpCommGpu.reset();
1603         }
1604
1605         if (inputrec->bPull)
1606         {
1607             finish_pull(pull_work);
1608         }
1609         finish_swapcoords(swap);
1610     }
1611     else
1612     {
1613         GMX_RELEASE_ASSERT(pmedata, "pmedata was NULL while cr->duty was not DUTY_PP");
1614         /* do PME only */
1615         walltime_accounting = walltime_accounting_init(gmx_omp_nthreads_get(emntPME));
1616         gmx_pmeonly(pmedata, cr, &nrnb, wcycle, walltime_accounting, inputrec, pmeRunMode);
1617     }
1618
1619     wallcycle_stop(wcycle, ewcRUN);
1620
1621     /* Finish up, write some stuff
1622      * if rerunMD, don't write last frame again
1623      */
1624     finish_run(fplog, mdlog, cr, inputrec, &nrnb, wcycle, walltime_accounting,
1625                fr ? fr->nbv.get() : nullptr, pmedata, EI_DYNAMICS(inputrec->eI) && !isMultiSim(ms));
1626
1627     // clean up cycle counter
1628     wallcycle_destroy(wcycle);
1629
1630     // Free PME data
1631     if (pmedata)
1632     {
1633         gmx_pme_destroy(pmedata);
1634         pmedata = nullptr;
1635     }
1636
1637     // FIXME: this is only here to manually unpin mdAtoms->chargeA_ and state->x,
1638     // before we destroy the GPU context(s) in free_gpu().
1639     // Pinned buffers are associated with contexts in CUDA.
1640     // As soon as we destroy GPU contexts after mdrunner() exits, these lines should go.
1641     mdAtoms.reset(nullptr);
1642     globalState.reset(nullptr);
1643     mdModules_.reset(nullptr); // destruct force providers here as they might also use the GPU
1644     /* Free pinned buffers in *fr */
1645     delete fr;
1646     fr = nullptr;
1647
1648     if (hwinfo->gpu_info.n_dev > 0)
1649     {
1650         /* stop the GPU profiler (only CUDA) */
1651         stopGpuProfiler();
1652     }
1653
1654     /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
1655      * destroying the CUDA context in free_gpu() as some tMPI ranks may be sharing
1656      * GPU and context.
1657      *
1658      * This is not a concern in OpenCL where we use one context per rank which
1659      * is freed in nbnxn_gpu_free().
1660      *
1661      * Note: it is safe to not call the barrier on the ranks which do not use GPU,
1662      * but it is easier and more futureproof to call it on the whole node.
1663      *
1664      * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
1665      * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
1666      * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
1667      * \todo Remove this physical node barrier after making sure
1668      * that it's not needed anymore (with a shared GPU run).
1669      */
1670     if (GMX_THREAD_MPI)
1671     {
1672         physicalNodeComm.barrier();
1673     }
1674
1675     free_gpu(nonbondedDeviceInfo);
1676     free_gpu(pmeDeviceInfo);
1677     sfree(fcd);
1678
1679     if (doMembed)
1680     {
1681         free_membed(membed);
1682     }
1683
1684     /* Does what it says */
1685     print_date_and_time(fplog, cr->nodeid, "Finished mdrun", gmx_gettime());
1686     walltime_accounting_destroy(walltime_accounting);
1687
1688     // Ensure log file content is written
1689     if (logFileHandle)
1690     {
1691         gmx_fio_flush(logFileHandle);
1692     }
1693
1694     /* Reset FPEs (important for unit tests) by disabling them. Assumes no
1695      * exceptions were enabled before function was called. */
1696     if (bEnableFPE)
1697     {
1698         gmx_fedisableexcept();
1699     }
1700
1701     auto rc = static_cast<int>(gmx_get_stop_condition());
1702
1703 #if GMX_THREAD_MPI
1704     /* we need to join all threads. The sub-threads join when they
1705        exit this function, but the master thread needs to be told to
1706        wait for that. */
1707     if (PAR(cr) && MASTER(cr))
1708     {
1709         tMPI_Finalize();
1710     }
1711 #endif
1712     return rc;
1713 }
1714
1715 Mdrunner::~Mdrunner()
1716 {
1717     // Clean up of the Manager.
1718     // This will end up getting called on every thread-MPI rank, which is unnecessary,
1719     // but okay as long as threads synchronize some time before adding or accessing
1720     // a new set of restraints.
1721     if (restraintManager_)
1722     {
1723         restraintManager_->clear();
1724         GMX_ASSERT(restraintManager_->countRestraints() == 0,
1725                    "restraints added during runner life time should be cleared at runner "
1726                    "destruction.");
1727     }
1728 };
1729
1730 void Mdrunner::addPotential(std::shared_ptr<gmx::IRestraintPotential> puller, const std::string& name)
1731 {
1732     GMX_ASSERT(restraintManager_, "Mdrunner must have a restraint manager.");
1733     // Not sure if this should be logged through the md logger or something else,
1734     // but it is helpful to have some sort of INFO level message sent somewhere.
1735     //    std::cout << "Registering restraint named " << name << std::endl;
1736
1737     // When multiple restraints are used, it may be wasteful to register them separately.
1738     // Maybe instead register an entire Restraint Manager as a force provider.
1739     restraintManager_->addToSpec(std::move(puller), name);
1740 }
1741
1742 Mdrunner::Mdrunner(std::unique_ptr<MDModules> mdModules) : mdModules_(std::move(mdModules)) {}
1743
1744 Mdrunner::Mdrunner(Mdrunner&&) noexcept = default;
1745
1746 //NOLINTNEXTLINE(performance-noexcept-move-constructor) working around GCC bug 58265
1747 Mdrunner& Mdrunner::operator=(Mdrunner&& /*handle*/) noexcept(BUGFREE_NOEXCEPT_STRING) = default;
1748
1749 class Mdrunner::BuilderImplementation
1750 {
1751 public:
1752     BuilderImplementation() = delete;
1753     BuilderImplementation(std::unique_ptr<MDModules> mdModules, compat::not_null<SimulationContext*> context);
1754     ~BuilderImplementation();
1755
1756     BuilderImplementation& setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions& options,
1757                                                 real                forceWarningThreshold,
1758                                                 StartingBehavior    startingBehavior);
1759
1760     void addDomdec(const DomdecOptions& options);
1761
1762     void addVerletList(int nstlist);
1763
1764     void addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters& params);
1765
1766     void addNonBonded(const char* nbpu_opt);
1767
1768     void addPME(const char* pme_opt_, const char* pme_fft_opt_);
1769
1770     void addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt);
1771
1772     void addUpdateTaskAssignment(const char* update_opt);
1773
1774     void addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t& hardwareOptions);
1775
1776     void addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames);
1777
1778     void addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment);
1779
1780     void addLogFile(t_fileio* logFileHandle);
1781
1782     void addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder);
1783
1784     Mdrunner build();
1785
1786 private:
1787     // Default parameters copied from runner.h
1788     // \todo Clarify source(s) of default parameters.
1789
1790     const char* nbpu_opt_    = nullptr;
1791     const char* pme_opt_     = nullptr;
1792     const char* pme_fft_opt_ = nullptr;
1793     const char* bonded_opt_  = nullptr;
1794     const char* update_opt_  = nullptr;
1795
1796     MdrunOptions mdrunOptions_;
1797
1798     DomdecOptions domdecOptions_;
1799
1800     ReplicaExchangeParameters replicaExchangeParameters_;
1801
1802     //! Command-line override for the duration of a neighbor list with the Verlet scheme.
1803     int nstlist_ = 0;
1804
1805     //! Multisim communicator handle.
1806     gmx_multisim_t* multiSimulation_;
1807
1808     //! mdrun communicator
1809     MPI_Comm communicator_ = MPI_COMM_NULL;
1810
1811     //! Print a warning if any force is larger than this (in kJ/mol nm).
1812     real forceWarningThreshold_ = -1;
1813
1814     //! Whether the simulation will start afresh, or restart with/without appending.
1815     StartingBehavior startingBehavior_ = StartingBehavior::NewSimulation;
1816
1817     //! The modules that comprise the functionality of mdrun.
1818     std::unique_ptr<MDModules> mdModules_;
1819
1820     //! \brief Parallelism information.
1821     gmx_hw_opt_t hardwareOptions_;
1822
1823     //! filename options for simulation.
1824     ArrayRef<const t_filenm> filenames_;
1825
1826     /*! \brief Handle to output environment.
1827      *
1828      * \todo gmx_output_env_t needs lifetime management.
1829      */
1830     gmx_output_env_t* outputEnvironment_ = nullptr;
1831
1832     /*! \brief Non-owning handle to MD log file.
1833      *
1834      * \todo Context should own output facilities for client.
1835      * \todo Improve log file handle management.
1836      * \internal
1837      * Code managing the FILE* relies on the ability to set it to
1838      * nullptr to check whether the filehandle is valid.
1839      */
1840     t_fileio* logFileHandle_ = nullptr;
1841
1842     /*!
1843      * \brief Builder for simulation stop signal handler.
1844      */
1845     std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> stopHandlerBuilder_ = nullptr;
1846 };
1847
1848 Mdrunner::BuilderImplementation::BuilderImplementation(std::unique_ptr<MDModules> mdModules,
1849                                                        compat::not_null<SimulationContext*> context) :
1850     mdModules_(std::move(mdModules))
1851 {
1852     communicator_    = context->communicator_;
1853     multiSimulation_ = context->multiSimulation_.get();
1854 }
1855
1856 Mdrunner::BuilderImplementation::~BuilderImplementation() = default;
1857
1858 Mdrunner::BuilderImplementation&
1859 Mdrunner::BuilderImplementation::setExtraMdrunOptions(const MdrunOptions&    options,
1860                                                       const real             forceWarningThreshold,
1861                                                       const StartingBehavior startingBehavior)
1862 {
1863     mdrunOptions_          = options;
1864     forceWarningThreshold_ = forceWarningThreshold;
1865     startingBehavior_      = startingBehavior;
1866     return *this;
1867 }
1868
1869 void Mdrunner::BuilderImplementation::addDomdec(const DomdecOptions& options)
1870 {
1871     domdecOptions_ = options;
1872 }
1873
1874 void Mdrunner::BuilderImplementation::addVerletList(int nstlist)
1875 {
1876     nstlist_ = nstlist;
1877 }
1878
1879 void Mdrunner::BuilderImplementation::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters& params)
1880 {
1881     replicaExchangeParameters_ = params;
1882 }
1883
1884 Mdrunner Mdrunner::BuilderImplementation::build()
1885 {
1886     auto newRunner = Mdrunner(std::move(mdModules_));
1887
1888     newRunner.mdrunOptions     = mdrunOptions_;
1889     newRunner.pforce           = forceWarningThreshold_;
1890     newRunner.startingBehavior = startingBehavior_;
1891     newRunner.domdecOptions    = domdecOptions_;
1892
1893     // \todo determine an invariant to check or confirm that all gmx_hw_opt_t objects are valid
1894     newRunner.hw_opt = hardwareOptions_;
1895
1896     // No invariant to check. This parameter exists to optionally override other behavior.
1897     newRunner.nstlist_cmdline = nstlist_;
1898
1899     newRunner.replExParams = replicaExchangeParameters_;
1900
1901     newRunner.filenames = filenames_;
1902
1903     newRunner.communicator = communicator_;
1904
1905     // nullptr is a valid value for the multisim handle
1906     newRunner.ms = multiSimulation_;
1907
1908     // \todo Clarify ownership and lifetime management for gmx_output_env_t
1909     // \todo Update sanity checking when output environment has clearly specified invariants.
1910     // Initialization and default values for oenv are not well specified in the current version.
1911     if (outputEnvironment_)
1912     {
1913         newRunner.oenv = outputEnvironment_;
1914     }
1915     else
1916     {
1917         GMX_THROW(gmx::APIError(
1918                 "MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment() is required before build()"));
1919     }
1920
1921     newRunner.logFileHandle = logFileHandle_;
1922
1923     if (nbpu_opt_)
1924     {
1925         newRunner.nbpu_opt = nbpu_opt_;
1926     }
1927     else
1928     {
1929         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addNonBonded() is required before build()"));
1930     }
1931
1932     if (pme_opt_ && pme_fft_opt_)
1933     {
1934         newRunner.pme_opt     = pme_opt_;
1935         newRunner.pme_fft_opt = pme_fft_opt_;
1936     }
1937     else
1938     {
1939         GMX_THROW(gmx::APIError("MdrunnerBuilder::addElectrostatics() is required before build()"));
1940     }
1941
1942     if (bonded_opt_)
1943     {
1944         newRunner.bonded_opt = bonded_opt_;
1945     }
1946     else
1947     {
1948         GMX_THROW(gmx::APIError(
1949                 "MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment() is required before build()"));
1950     }
1951
1952     if (update_opt_)
1953     {
1954         newRunner.update_opt = update_opt_;
1955     }
1956     else
1957     {
1958         GMX_THROW(gmx::APIError(
1959                 "MdrunnerBuilder::addUpdateTaskAssignment() is required before build()  "));
1960     }
1961
1962
1963     newRunner.restraintManager_ = std::make_unique<gmx::RestraintManager>();
1964
1965     if (stopHandlerBuilder_)
1966     {
1967         newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::move(stopHandlerBuilder_);
1968     }
1969     else
1970     {
1971         newRunner.stopHandlerBuilder_ = std::make_unique<StopHandlerBuilder>();
1972     }
1973
1974     return newRunner;
1975 }
1976
1977 void Mdrunner::BuilderImplementation::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
1978 {
1979     nbpu_opt_ = nbpu_opt;
1980 }
1981
1982 void Mdrunner::BuilderImplementation::addPME(const char* pme_opt, const char* pme_fft_opt)
1983 {
1984     pme_opt_     = pme_opt;
1985     pme_fft_opt_ = pme_fft_opt;
1986 }
1987
1988 void Mdrunner::BuilderImplementation::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
1989 {
1990     bonded_opt_ = bonded_opt;
1991 }
1992
1993 void Mdrunner::BuilderImplementation::addUpdateTaskAssignment(const char* update_opt)
1994 {
1995     update_opt_ = update_opt;
1996 }
1997
1998 void Mdrunner::BuilderImplementation::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t& hardwareOptions)
1999 {
2000     hardwareOptions_ = hardwareOptions;
2001 }
2002
2003 void Mdrunner::BuilderImplementation::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
2004 {
2005     filenames_ = filenames;
2006 }
2007
2008 void Mdrunner::BuilderImplementation::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
2009 {
2010     outputEnvironment_ = outputEnvironment;
2011 }
2012
2013 void Mdrunner::BuilderImplementation::addLogFile(t_fileio* logFileHandle)
2014 {
2015     logFileHandle_ = logFileHandle;
2016 }
2017
2018 void Mdrunner::BuilderImplementation::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
2019 {
2020     stopHandlerBuilder_ = std::move(builder);
2021 }
2022
2023 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(std::unique_ptr<MDModules>           mdModules,
2024                                  compat::not_null<SimulationContext*> context) :
2025     impl_{ std::make_unique<Mdrunner::BuilderImplementation>(std::move(mdModules), context) }
2026 {
2027 }
2028
2029 MdrunnerBuilder::~MdrunnerBuilder() = default;
2030
2031 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addSimulationMethod(const MdrunOptions&    options,
2032                                                       real                   forceWarningThreshold,
2033                                                       const StartingBehavior startingBehavior)
2034 {
2035     impl_->setExtraMdrunOptions(options, forceWarningThreshold, startingBehavior);
2036     return *this;
2037 }
2038
2039 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addDomainDecomposition(const DomdecOptions& options)
2040 {
2041     impl_->addDomdec(options);
2042     return *this;
2043 }
2044
2045 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addNeighborList(int nstlist)
2046 {
2047     impl_->addVerletList(nstlist);
2048     return *this;
2049 }
2050
2051 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addReplicaExchange(const ReplicaExchangeParameters& params)
2052 {
2053     impl_->addReplicaExchange(params);
2054     return *this;
2055 }
2056
2057 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addNonBonded(const char* nbpu_opt)
2058 {
2059     impl_->addNonBonded(nbpu_opt);
2060     return *this;
2061 }
2062
2063 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addElectrostatics(const char* pme_opt, const char* pme_fft_opt)
2064 {
2065     // The builder method may become more general in the future, but in this version,
2066     // parameters for PME electrostatics are both required and the only parameters
2067     // available.
2068     if (pme_opt && pme_fft_opt)
2069     {
2070         impl_->addPME(pme_opt, pme_fft_opt);
2071     }
2072     else
2073     {
2074         GMX_THROW(
2075                 gmx::InvalidInputError("addElectrostatics() arguments must be non-null pointers."));
2076     }
2077     return *this;
2078 }
2079
2080 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addBondedTaskAssignment(const char* bonded_opt)
2081 {
2082     impl_->addBondedTaskAssignment(bonded_opt);
2083     return *this;
2084 }
2085
2086 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addUpdateTaskAssignment(const char* update_opt)
2087 {
2088     impl_->addUpdateTaskAssignment(update_opt);
2089     return *this;
2090 }
2091
2092 Mdrunner MdrunnerBuilder::build()
2093 {
2094     return impl_->build();
2095 }
2096
2097 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addHardwareOptions(const gmx_hw_opt_t& hardwareOptions)
2098 {
2099     impl_->addHardwareOptions(hardwareOptions);
2100     return *this;
2101 }
2102
2103 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addFilenames(ArrayRef<const t_filenm> filenames)
2104 {
2105     impl_->addFilenames(filenames);
2106     return *this;
2107 }
2108
2109 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addOutputEnvironment(gmx_output_env_t* outputEnvironment)
2110 {
2111     impl_->addOutputEnvironment(outputEnvironment);
2112     return *this;
2113 }
2114
2115 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addLogFile(t_fileio* logFileHandle)
2116 {
2117     impl_->addLogFile(logFileHandle);
2118     return *this;
2119 }
2120
2121 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::addStopHandlerBuilder(std::unique_ptr<StopHandlerBuilder> builder)
2122 {
2123     impl_->addStopHandlerBuilder(std::move(builder));
2124     return *this;
2125 }
2126
2127 MdrunnerBuilder::MdrunnerBuilder(MdrunnerBuilder&&) noexcept = default;
2128
2129 MdrunnerBuilder& MdrunnerBuilder::operator=(MdrunnerBuilder&&) noexcept = default;
2130
2131 } // namespace gmx