src/gromacs/mdtypes/state_propagator_data_gpu_impl.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \internal \file
  36  *
  37  * \brief Declaration of low-level functions and fields of GPU state propagator object.
  38  *
  39  * \author Artem Zhmurov <zhmurov@gmail.com>
  40  *
  41  * \ingroup module_mdtypes
  42  */
  43 #ifndef GMX_MDTYPES_STATE_PROPAGATOR_DATA_GPU_IMPL_H
  44 #define GMX_MDTYPES_STATE_PROPAGATOR_DATA_GPU_IMPL_H
  45
  46 #include "gmxpre.h"
  47
  48 #include "config.h"
  49
  50 #include <memory>
  51
  52 #include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer.h"
  53 #if GMX_GPU_CUDA
  54 #    include "gromacs/gpu_utils/gpueventsynchronizer.cuh"
  55 #elif GMX_GPU_OPENCL
  56 #    include "gromacs/gpu_utils/gpueventsynchronizer_ocl.h"
  57 #elif GMX_GPU_SYCL
  58 #    include "gromacs/gpu_utils/gpueventsynchronizer_sycl.h"
  59 #endif
  60
  61 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  62 #include "gromacs/mdtypes/state_propagator_data_gpu.h"
  63 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  64
  65 struct gmx_wallcycle;
  66
  67 namespace gmx
  68 {
  69
  70 class StatePropagatorDataGpu::Impl
  71 {
  72 public:
  73     Impl();
  74
  75
  76     /*! \brief Constructor
  77      *
  78      * The buffers are reallocated only at the reinit call, the padding is
  79      * used there for the coordinates buffer. It is needed for PME and added at
  80      * the end of the buffer. It is assumed that if the rank has PME duties on the
  81      * GPU, all coordinates are copied to the GPU and hence, for this rank, the
  82      * coordinates buffer is not split into local and non-local ranges. For other
  83      * ranks, the padding size is zero. This works because only one rank ever does
  84      * PME work on the GPU, and if that rank also does PP work that is the only
  85      * rank. So all coordinates are always transferred.
  86      *
  87      * In OpenCL, only pmeStream is used since it is the only stream created in
  88      * PME context. The local and non-local streams are only needed when buffer
  89      * ops are offloaded. This feature is currently not available in OpenCL and
  90      * hence these streams are not set in these builds.
  91      *
  92      *  \param[in] deviceStreamManager         Object that owns the DeviceContext and DeviceStreams.
  93      *  \param[in] transferKind                H2D/D2H transfer call behavior (synchronous or not).
  94      *  \param[in] allocationBlockSizeDivisor  Determines the padding size for coordinates buffer.
  95      *  \param[in] wcycle                      Wall cycle counter data.
  96      */
  97     Impl(const DeviceStreamManager& deviceStreamManager,
  98          GpuApiCallBehavior         transferKind,
  99          int                        allocationBlockSizeDivisor,
 100          gmx_wallcycle*             wcycle);
 101
 102     /*! \brief Constructor to use in PME-only rank and in tests.
 103      *
 104      *  This constructor should be used if only a coordinate device buffer should be managed
 105      *  using a single stream. Any operation on force or velocity buffer as well as copy of
 106      *  non-local coordinates will exit with assertion failure. Note, that the pmeStream can
 107      *  not be a nullptr and the constructor will exit with an assertion failure.
 108      *
 109      *  \todo Currently, unsupported copy operations are blocked by assertion that the stream
 110      *        not nullptr. This should be improved.
 111      *
 112      *  \param[in] pmeStream       Device PME stream, nullptr is not allowed.
 113      *  \param[in] deviceContext   Device context, nullptr allowed for non-OpenCL builds.
 114      *  \param[in] transferKind    H2D/D2H transfer call behavior (synchronous or not).
 115      *  \param[in] allocationBlockSizeDivisor  Determines the padding size for coordinates buffer.
 116      *  \param[in] wcycle          Wall cycle counter data.
 117      */
 118     Impl(const DeviceStream*  pmeStream,
 119          const DeviceContext& deviceContext,
 120          GpuApiCallBehavior   transferKind,
 121          int                  allocationBlockSizeDivisor,
 122          gmx_wallcycle*       wcycle);
 123
 124     ~Impl();
 125
 126
 127     /*! \brief Set the ranges for local and non-local atoms and reallocates buffers.
 128      *
 129      * Reallocates coordinate, velocities and force buffers on the device.
 130      *
 131      * \note
 132      * The coordinates buffer is (re)allocated, when required by PME, with a padding,
 133      * the size of which is set by the constructor. The padding region clearing kernel
 134      * is scheduled in the \p pmeStream_ (unlike the coordinates H2D) as only the PME
 135      * task uses this padding area.
 136      *
 137      * \note
 138      * The force buffer is cleared if its size increases, so that previously unused
 139      * memory is cleared before forces are accumulated.
 140      *
 141      *  \param[in] numAtomsLocal  Number of atoms in local domain.
 142      *  \param[in] numAtomsAll    Total number of atoms to handle.
 143      */
 144     void reinit(int numAtomsLocal, int numAtomsAll);
 145
 146     /*! \brief Returns the range of atoms to be copied based on the copy type (all, local or non-local).
 147      *
 148      * \todo There are at least three versions of the function with this functionality in the code:
 149      *       this one and two more in NBNXM. These should be unified in a shape of a general function
 150      *       in DD.
 151      *
 152      * \param[in]  atomLocality    If all, local or non-local ranges are needed.
 153      *
 154      * \returns Tuple, containing the index of the first atom in the range and the total number of atoms in the range.
 155      */
 156     std::tuple<int, int> getAtomRangesFromAtomLocality(AtomLocality atomLocality) const;
 157
 158
 159     /*! \brief Get the positions buffer on the GPU.
 160      *
 161      *  \returns GPU positions buffer.
 162      */
 163     DeviceBuffer<RVec> getCoordinates();
 164
 165     /*! \brief Copy positions to the GPU memory.
 166      *
 167      *  \param[in] h_x           Positions in the host memory.
 168      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
 169      */
 170     void copyCoordinatesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> h_x, AtomLocality atomLocality);
 171
 172     /*! \brief Get the event synchronizer of the coordinates ready for the consumption on the device.
 173      *
 174      * Returns the event synchronizer which indicates that the coordinates are ready for the
 175      * consumption on the device. Takes into account that the producer may be different.
 176      *
 177      * If the update is offloaded, and the current step is not a DD/search step, the returned
 178      * synchronizer indicates the completion of GPU update-constraint kernels. Otherwise, on search
 179      * steps and if update is not offloaded, the coordinates are provided by the H2D copy and the
 180      * returned synchronizer indicates that the copy is complete.
 181      *
 182      *  \param[in] atomLocality    Locality of the particles to wait for.
 183      *  \param[in] simulationWork  The simulation lifetime flags.
 184      *  \param[in] stepWork        The step lifetime flags.
 185      *
 186      *  \returns  The event to synchronize the stream that consumes coordinates on device.
 187      */
 188     GpuEventSynchronizer* getCoordinatesReadyOnDeviceEvent(AtomLocality              atomLocality,
 189                                                            const SimulationWorkload& simulationWork,
 190                                                            const StepWorkload&       stepWork);
 191
 192     /*! \brief Blocking wait until coordinates are copied to the device.
 193      *
 194      * Synchronizes the stream in which the copy was executed.
 195      *
 196      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
 197      */
 198     void waitCoordinatesCopiedToDevice(AtomLocality atomLocality);
 199
 200     /*! \brief Getter for the event synchronizer for the update is done on th GPU
 201      *
 202      *  \returns  The event to synchronize the stream coordinates wre updated on device.
 203      */
 204     GpuEventSynchronizer* xUpdatedOnDevice();
 205
 206     /*! \brief Copy positions from the GPU memory.
 207      *
 208      *  \param[in] h_x           Positions buffer in the host memory.
 209      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
 210      */
 211     void copyCoordinatesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec> h_x, AtomLocality atomLocality);
 212
 213     /*! \brief Wait until coordinates are available on the host.
 214      *
 215      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
 216      */
 217     void waitCoordinatesReadyOnHost(AtomLocality atomLocality);
 218
 219
 220     /*! \brief Get the velocities buffer on the GPU.
 221      *
 222      *  \returns GPU velocities buffer.
 223      */
 224     DeviceBuffer<RVec> getVelocities();
 225
 226     /*! \brief Copy velocities to the GPU memory.
 227      *
 228      *  \param[in] h_v           Velocities in the host memory.
 229      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
 230      */
 231     void copyVelocitiesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> h_v, AtomLocality atomLocality);
 232
 233     /*! \brief Copy velocities from the GPU memory.
 234      *
 235      *  \param[in] h_v           Velocities buffer in the host memory.
 236      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
 237      */
 238     void copyVelocitiesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec> h_v, AtomLocality atomLocality);
 239
 240     /*! \brief Wait until velocities are available on the host.
 241      *
 242      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
 243      */
 244     void waitVelocitiesReadyOnHost(AtomLocality atomLocality);
 245
 246
 247     /*! \brief Get the force buffer on the GPU.
 248      *
 249      *  \returns GPU force buffer.
 250      */
 251     DeviceBuffer<RVec> getForces();
 252
 253     /*! \brief Copy forces to the GPU memory.
 254      *
 255      *  \param[in] h_f           Forces in the host memory.
 256      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
 257      */
 258     void copyForcesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> h_f, AtomLocality atomLocality);
 259
 260     /*! \brief Clear forces in the GPU memory.
 261      *
 262      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to clear.
 263      */
 264     void clearForcesOnGpu(AtomLocality atomLocality);
 265
 266     /*! \brief Get the event synchronizer for the forces ready on device.
 267      *
 268      *  Returns either of the event synchronizers, depending on the offload scenario
 269      *  for the current simulation timestep:
 270      *  1. The forces are copied to the device (when GPU buffer ops are off)
 271      *  2. The forces are reduced on the device (GPU buffer ops are on)
 272      *
 273      *  \todo Pass step workload instead of the useGpuFBufferOps boolean.
 274      *
 275      *  \param[in] atomLocality      Locality of the particles to wait for.
 276      *  \param[in] useGpuFBufferOps  If the force buffer ops are offloaded to the GPU.
 277      *
 278      *  \returns  The event to synchronize the stream that consumes forces on device.
 279      */
 280     GpuEventSynchronizer* getForcesReadyOnDeviceEvent(AtomLocality atomLocality, bool useGpuFBufferOps);
 281
 282     /*! \brief Getter for the event synchronizer for the forces are reduced on the GPU.
 283      *
 284      *  \returns  The event to mark when forces are reduced on the GPU.
 285      */
 286     GpuEventSynchronizer* fReducedOnDevice();
 287
 288     /*! \brief Copy forces from the GPU memory.
 289      *
 290      *  \param[in] h_f           Forces buffer in the host memory.
 291      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
 292      */
 293     void copyForcesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec> h_f, AtomLocality atomLocality);
 294
 295     /*! \brief Wait until forces are available on the host.
 296      *
 297      *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
 298      */
 299     void waitForcesReadyOnHost(AtomLocality atomLocality);
 300
 301     /*! \brief Getter for the update stream.
 302      *
 303      *  \todo This is temporary here, until the management of this stream is taken over.
 304      *
 305      *  \returns The device command stream to use in update-constraints.
 306      */
 307     const DeviceStream* getUpdateStream();
 308
 309     /*! \brief Getter for the number of local atoms.
 310      *
 311      *  \returns The number of local atoms.
 312      */
 313     int numAtomsLocal() const;
 314
 315     /*! \brief Getter for the total number of atoms.
 316      *
 317      *  \returns The total number of atoms.
 318      */
 319     int numAtomsAll() const;
 320
 321 private:
 322     //! GPU PME stream.
 323     const DeviceStream* pmeStream_;
 324     //! GPU NBNXM local stream.
 325     const DeviceStream* localStream_;
 326     //! GPU NBNXM non-local stream.
 327     const DeviceStream* nonLocalStream_;
 328     //! GPU Update-constreaints stream.
 329     const DeviceStream* updateStream_;
 330
 331     // Streams to use for coordinates H2D and D2H copies (one event for each atom locality)
 332     EnumerationArray<AtomLocality, const DeviceStream*> xCopyStreams_ = { { nullptr } };
 333     // Streams to use for velocities H2D and D2H copies (one event for each atom locality)
 334     EnumerationArray<AtomLocality, const DeviceStream*> vCopyStreams_ = { { nullptr } };
 335     // Streams to use for forces H2D and D2H copies (one event for each atom locality)
 336     EnumerationArray<AtomLocality, const DeviceStream*> fCopyStreams_ = { { nullptr } };
 337
 338     /*! \brief An array of events that indicate H2D copy is complete (one event for each atom locality)
 339      *
 340      * \todo Reconsider naming. It should be xCopiedToDevice or xH2DCopyComplete, etc.
 341      */
 342     EnumerationArray<AtomLocality, GpuEventSynchronizer> xReadyOnDevice_;
 343     //! An event that the coordinates are ready after update-constraints execution
 344     GpuEventSynchronizer xUpdatedOnDevice_;
 345     //! An array of events that indicate D2H copy of coordinates is complete (one event for each atom locality)
 346     EnumerationArray<AtomLocality, GpuEventSynchronizer> xReadyOnHost_;
 347
 348     //! An array of events that indicate D2H copy of velocities is complete (one event for each atom locality)
 349     EnumerationArray<AtomLocality, GpuEventSynchronizer> vReadyOnHost_;
 350
 351     //! An array of events that indicate H2D copy of forces is complete (one event for each atom locality)
 352     EnumerationArray<AtomLocality, GpuEventSynchronizer> fReadyOnDevice_;
 353     //! An event that the forces were reduced on the GPU
 354     GpuEventSynchronizer fReducedOnDevice_;
 355     //! An array of events that indicate D2H copy of forces is complete (one event for each atom locality)
 356     EnumerationArray<AtomLocality, GpuEventSynchronizer> fReadyOnHost_;
 357
 358     //! GPU context (for OpenCL builds)
 359     const DeviceContext& deviceContext_;
 360     //! Default GPU calls behavior
 361     GpuApiCallBehavior transferKind_ = GpuApiCallBehavior::Async;
 362     //! Required minimum divisor of the allocation size of the coordinates buffer
 363     int allocationBlockSizeDivisor_ = 0;
 364
 365     //! Number of local atoms
 366     int numAtomsLocal_ = -1;
 367     //! Total number of atoms
 368     int numAtomsAll_ = -1;
 369
 370     //! Device positions buffer
 371     DeviceBuffer<RVec> d_x_;
 372     //! Number of particles saved in the positions buffer
 373     int d_xSize_ = -1;
 374     //! Allocation size for the positions buffer
 375     int d_xCapacity_ = -1;
 376
 377     //! Device velocities buffer
 378     DeviceBuffer<RVec> d_v_;
 379     //! Number of particles saved in the velocities buffer
 380     int d_vSize_ = -1;
 381     //! Allocation size for the velocities buffer
 382     int d_vCapacity_ = -1;
 383
 384     //! Device force buffer
 385     DeviceBuffer<RVec> d_f_;
 386     //! Number of particles saved in the force buffer
 387     int d_fSize_ = -1;
 388     //! Allocation size for the force buffer
 389     int d_fCapacity_ = -1;
 390
 391     //! \brief Pointer to wallcycle structure.
 392     gmx_wallcycle* wcycle_;
 393
 394     /*! \brief Performs the copy of data from host to device buffer.
 395      *
 396      * \todo Template on locality.
 397      *
 398      *  \param[out] d_data         Device-side buffer.
 399      *  \param[in]  h_data         Host-side buffer.
 400      *  \param[in]  dataSize       Device-side data allocation size.
 401      *  \param[in]  atomLocality   If all, local or non-local ranges should be copied.
 402      *  \param[in]  deviceStream   GPU stream to execute copy in.
 403      */
 404     void copyToDevice(DeviceBuffer<RVec>             d_data,
 405                       gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> h_data,
 406                       int                            dataSize,
 407                       AtomLocality                   atomLocality,
 408                       const DeviceStream&            deviceStream);
 409
 410     /*! \brief Performs the copy of data from device to host buffer.
 411      *
 412      *  \param[out] h_data         Host-side buffer.
 413      *  \param[in]  d_data         Device-side buffer.
 414      *  \param[in]  dataSize       Device-side data allocation size.
 415      *  \param[in]  atomLocality   If all, local or non-local ranges should be copied.
 416      *  \param[in]  deviceStream   GPU stream to execute copy in.
 417      */
 418     void copyFromDevice(gmx::ArrayRef<gmx::RVec> h_data,
 419                         DeviceBuffer<RVec>       d_data,
 420                         int                      dataSize,
 421                         AtomLocality             atomLocality,
 422                         const DeviceStream&      deviceStream);
 423
 424     /*! \brief Performs the clearing of data in device buffer.
 425      *
 426      * \todo Template on locality.
 427      *
 428      *  \param[out] d_data         Device-side buffer.
 429      *  \param[in]  dataSize       Device-side data allocation size.
 430      *  \param[in]  atomLocality   If all, local or non-local ranges should be cleared.
 431      *  \param[in]  deviceStream   GPU stream to execute copy in.
 432      */
 433     void clearOnDevice(DeviceBuffer<RVec>  d_data,
 434                        int                 dataSize,
 435                        AtomLocality        atomLocality,
 436                        const DeviceStream& deviceStream) const;
 437 };
 438
 439 } // namespace gmx
 440
 441 #endif // GMX_MDTYPES_STATE_PROPAGATOR_DATA_GPU_IMPL_H