src/gromacs/nbnxm/atomdata.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016 by the GROMACS development team.
   5  * Copyright (c) 2017,2018,2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
   6  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   7  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   8  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   9  *
  10  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  12  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  13  * of the License, or (at your option) any later version.
  14  *
  15  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  * Lesser General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  21  * License along with GROMACS; if not, see
  22  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  23  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  24  *
  25  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  26  * consider that scientific software is very special. Version
  27  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  28  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  29  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  30  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  31  * official version at http://www.gromacs.org.
  32  *
  33  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  34  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  35  */
  36 /*! \libinternal \file
  37  *  \brief
  38  *  Functionality for per-atom data in the nbnxm module
  39  *
  40  *  \author Berk Hess <hess@kth.se>
  41  *  \ingroup module_nbnxm
  42  *  \inlibraryapi
  43  */
  44
  45
  46 #ifndef GMX_NBNXN_ATOMDATA_H
  47 #define GMX_NBNXN_ATOMDATA_H
  48
  49 #include <cstdio>
  50
  51 #include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer_datatype.h"
  52 #include "gromacs/gpu_utils/hostallocator.h"
  53 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  54 #include "gromacs/mdtypes/locality.h"
  55 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  56 #include "gromacs/utility/bitmask.h"
  57 #include "gromacs/utility/real.h"
  58
  59 namespace gmx
  60 {
  61 class MDLogger;
  62 }
  63
  64 struct NbnxmGpu;
  65 struct nbnxn_atomdata_t;
  66 struct nonbonded_verlet_t;
  67
  68 class GpuEventSynchronizer;
  69
  70 namespace Nbnxm
  71 {
  72 class GridSet;
  73 enum class KernelType;
  74 } // namespace Nbnxm
  75
  76 //! Convenience type for vector with aligned memory
  77 template<typename T>
  78 using AlignedVector = std::vector<T, gmx::AlignedAllocator<T>>;
  79
  80 enum
  81 {
  82     nbatXYZ,
  83     nbatXYZQ,
  84     nbatX4,
  85     nbatX8
  86 };
  87
  88 //! Stride for coordinate/force arrays with xyz coordinate storage
  89 static constexpr int STRIDE_XYZ = 3;
  90 //! Stride for coordinate/force arrays with xyzq coordinate storage
  91 static constexpr int STRIDE_XYZQ = 4;
  92 //! Size of packs of x, y or z with SIMD 4-grouped packed coordinates/forces
  93 static constexpr int c_packX4 = 4;
  94 //! Size of packs of x, y or z with SIMD 8-grouped packed coordinates/forces
  95 static constexpr int c_packX8 = 8;
  96 //! Stridefor a pack of 4 coordinates/forces
  97 static constexpr int STRIDE_P4 = DIM * c_packX4;
  98 //! Stridefor a pack of 8 coordinates/forces
  99 static constexpr int STRIDE_P8 = DIM * c_packX8;
 100
 101 //! Returns the index in a coordinate array corresponding to atom a
 102 template<int packSize>
 103 static inline int atom_to_x_index(int a)
 104 {
 105     return DIM * (a & ~(packSize - 1)) + (a & (packSize - 1));
 106 }
 107
 108 /*! \internal
 109  * \brief Struct that holds force and energy output buffers */
 110 struct nbnxn_atomdata_output_t
 111 {
 112     /*! \brief Constructor
 113      *
 114      * \param[in] kernelType              Type of non-bonded kernel
 115      * \param[in] numEnergyGroups         The number of energy groups
 116      * \param[in] simdEnergyBufferStride  Stride for entries in the energy buffers for SIMD kernels
 117      * \param[in] pinningPolicy           Sets the pinning policy for all buffers used on the GPU
 118      */
 119     nbnxn_atomdata_output_t(Nbnxm::KernelType  kernelType,
 120                             int                numEnergyGroups,
 121                             int                simdEnergyBufferStride,
 122                             gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 123
 124     //! f, size natoms*fstride
 125     gmx::HostVector<real> f;
 126     //! Shift force array, size c_numShiftVectors*DIM
 127     gmx::HostVector<real> fshift;
 128     //! Temporary Van der Waals group energy storage
 129     gmx::HostVector<real> Vvdw;
 130     //! Temporary Coulomb group energy storage
 131     gmx::HostVector<real> Vc;
 132     //! Temporary SIMD Van der Waals group energy storage
 133     AlignedVector<real> VSvdw;
 134     //! Temporary SIMD Coulomb group energy storage
 135     AlignedVector<real> VSc;
 136 };
 137
 138 /*! \brief Block size in atoms for the non-bonded thread force-buffer reduction.
 139  *
 140  * Should be a multiple of all cell and x86 SIMD sizes (i.e. 2, 4 and 8).
 141  * Should be small to reduce the reduction and zeroing cost,
 142  * but too small will result in overhead.
 143  * Currently the block size is NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*3*sizeof(real)=192 bytes.
 144  */
 145 #if GMX_DOUBLE
 146 #    define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE 8
 147 #else
 148 #    define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE 16
 149 #endif
 150
 151 /*! \brief We store the reduction flags as gmx_bitmask_t.
 152  * This limits the number of flags to BITMASK_SIZE.
 153  */
 154 #define NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS (BITMASK_SIZE)
 155
 156
 157 //! LJ combination rules
 158 enum class LJCombinationRule : int
 159 {
 160     //! Geometric
 161     Geometric,
 162     //! Lorentz-Berthelot
 163     LorentzBerthelot,
 164     //! No rule
 165     None,
 166     //! Size of the enum
 167     Count
 168 };
 169
 170 //! String corresponding to LJ combination rule
 171 const char* enumValueToString(LJCombinationRule enumValue);
 172
 173 /*! \internal
 174  * \brief Struct that stores atom related data for the nbnxn module
 175  *
 176  * Note: performance would improve slightly when all std::vector containers
 177  *       in this struct would not initialize during resize().
 178  */
 179 struct nbnxn_atomdata_t
 180 { //NOLINT(clang-analyzer-optin.performance.Padding)
 181     /*! \internal
 182      * \brief The actual atom data parameter values */
 183     struct Params
 184     {
 185         /*! \brief Constructor
 186          *
 187          * \param[in] pinningPolicy  Sets the pinning policy for all data that might be transfered to a GPU
 188          */
 189         Params(gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 190
 191         //! The number of different atom types
 192         int numTypes;
 193         //! Lennard-Jone 6*C6 and 12*C12 parameters, size numTypes*2*2
 194         gmx::HostVector<real> nbfp;
 195         //! Combination rule, see enum defined above
 196         LJCombinationRule ljCombinationRule;
 197         //! LJ parameters per atom type, size numTypes*2
 198         gmx::HostVector<real> nbfp_comb;
 199         //! As nbfp, but with a stride for the present SIMD architecture
 200         AlignedVector<real> nbfp_aligned;
 201         //! Atom types per atom
 202         gmx::HostVector<int> type;
 203         //! LJ parameters per atom for fast SIMD loading
 204         gmx::HostVector<real> lj_comb;
 205         //! Charges per atom, not set with format nbatXYZQ
 206         gmx::HostVector<real> q;
 207         //! The number of energy groups
 208         int nenergrp;
 209         //! 2log(nenergrp)
 210         int neg_2log;
 211         //! The energy groups, one int entry per cluster, only set when needed
 212         gmx::HostVector<int> energrp;
 213     };
 214
 215     /*! \internal
 216      * \brief Diagonal and topology exclusion helper data for all SIMD kernels. */
 217     struct SimdMasks
 218     {
 219         SimdMasks();
 220
 221         //! Helper data for setting up diagonal exclusion masks in the SIMD 4xN kernels
 222         AlignedVector<real> diagonal_4xn_j_minus_i;
 223         //! Helper data for setting up diaginal exclusion masks in the SIMD 2xNN kernels
 224         AlignedVector<real> diagonal_2xnn_j_minus_i;
 225         //! Filters for topology exclusion masks for the SIMD kernels
 226         AlignedVector<uint32_t> exclusion_filter;
 227         //! Filters for topology exclusion masks for double SIMD kernels without SIMD int32 logical support
 228         AlignedVector<uint64_t> exclusion_filter64;
 229         //! Array of masks needed for exclusions
 230         AlignedVector<real> interaction_array;
 231     };
 232
 233     /*! \brief Constructor
 234      *
 235      * \param[in] pinningPolicy      Sets the pinning policy for all data that might be transferred
 236      *                               to a GPU
 237      * \param[in] mdlog              The logger
 238      * \param[in] kernelType         Nonbonded NxN kernel type
 239      * \param[in] enbnxninitcombrule LJ combination rule
 240      * \param[in] ntype              Number of atom types
 241      * \param[in] nbfp               Non-bonded force parameters
 242      * \param[in] n_energygroups     Number of energy groups
 243      * \param[in] nout               Number of output data structures
 244      */
 245     nbnxn_atomdata_t(gmx::PinningPolicy        pinningPolicy,
 246                      const gmx::MDLogger&      mdlog,
 247                      Nbnxm::KernelType         kernelType,
 248                      int                       enbnxninitcombrule,
 249                      int                       ntype,
 250                      gmx::ArrayRef<const real> nbfp,
 251                      int                       n_energygroups,
 252                      int                       nout);
 253
 254     //! Returns a const reference to the parameters
 255     const Params& params() const { return params_; }
 256
 257     //! Returns a non-const reference to the parameters
 258     Params& paramsDeprecated() { return params_; }
 259
 260     //! Returns the current total number of atoms stored
 261     int numAtoms() const { return numAtoms_; }
 262
 263     //! Return the coordinate buffer, and q with xFormat==nbatXYZQ
 264     gmx::ArrayRef<const real> x() const { return x_; }
 265
 266     //! Return the coordinate buffer, and q with xFormat==nbatXYZQ
 267     gmx::ArrayRef<real> x() { return x_; }
 268
 269     //! Resizes the coordinate buffer and sets the number of atoms
 270     void resizeCoordinateBuffer(int numAtoms);
 271
 272     //! Resizes the force buffers for the current number of atoms
 273     void resizeForceBuffers();
 274
 275 private:
 276     //! The LJ and charge parameters
 277     Params params_;
 278     //! The total number of atoms currently stored
 279     int numAtoms_;
 280
 281 public:
 282     //! Number of local atoms
 283     int natoms_local;
 284     //! The format of x (and q), enum
 285     int XFormat;
 286     //! The format of f, enum
 287     int FFormat;
 288     //! Do we need to update shift_vec every step?
 289     gmx_bool bDynamicBox;
 290     //! Shift vectors, copied from t_forcerec
 291     gmx::HostVector<gmx::RVec> shift_vec;
 292     //! stride for a coordinate in x (usually 3 or 4)
 293     int xstride;
 294     //! stride for a coordinate in f (usually 3 or 4)
 295     int fstride;
 296
 297 private:
 298     //! x and possibly q, size natoms*xstride
 299     gmx::HostVector<real> x_;
 300
 301 public:
 302     //! Masks for handling exclusions in the SIMD kernels
 303     const SimdMasks simdMasks;
 304
 305     //! Output data structures, 1 per thread
 306     std::vector<nbnxn_atomdata_output_t> out;
 307
 308     //! Reduction related data
 309     //! \{
 310     //! Use the flags or operate on all atoms
 311     gmx_bool bUseBufferFlags;
 312     //! Flags for buffer zeroing+reduc.
 313     std::vector<gmx_bitmask_t> buffer_flags;
 314     //! \}
 315 };
 316
 317 /*! \brief Copy na rvec elements from x to xnb using nbatFormat, start dest a0,
 318  * and fills up to na_round with coordinates that are far away.
 319  */
 320 void copy_rvec_to_nbat_real(const int* a, int na, int na_round, const rvec* x, int nbatFormat, real* xnb, int a0);
 321
 322 //! Describes the combination rule in use by this force field
 323 enum
 324 {
 325     enbnxninitcombruleDETECT,
 326     enbnxninitcombruleGEOM,
 327     enbnxninitcombruleLB,
 328     enbnxninitcombruleNONE
 329 };
 330
 331 /*! \brief Initialize the non-bonded atom data structure.
 332  *
 333  * The enum for nbatXFormat is in the file defining nbnxn_atomdata_t.
 334  * Copy the ntypes*ntypes*2 sized nbfp non-bonded parameter list
 335  * to the atom data structure.
 336  * enbnxninitcombrule sets what combination rule data gets stored in nbat.
 337  */
 338 void nbnxn_atomdata_init(const gmx::MDLogger&      mdlog,
 339                          nbnxn_atomdata_t*         nbat,
 340                          Nbnxm::KernelType         kernelType,
 341                          int                       enbnxninitcombrule,
 342                          int                       ntype,
 343                          gmx::ArrayRef<const real> nbfp,
 344                          int                       n_energygroups,
 345                          int                       nout);
 346
 347 //! Sets the atomdata after pair search
 348 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t*         nbat,
 349                         const Nbnxm::GridSet&     gridSet,
 350                         gmx::ArrayRef<const int>  atomTypes,
 351                         gmx::ArrayRef<const real> atomCharges,
 352                         gmx::ArrayRef<const int>  atomInfo);
 353
 354 //! Copy the shift vectors to nbat
 355 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool                 dynamic_box,
 356                                   gmx::ArrayRef<gmx::RVec> shift_vec,
 357                                   nbnxn_atomdata_t*        nbat);
 358
 359 /*! \brief Transform coordinates to xbat layout
 360  *
 361  * Creates a copy of the coordinates buffer using short-range ordering.
 362  *
 363  * \param[in] gridSet      The grids data.
 364  * \param[in] locality     If the transformation should be applied to local or non local coordinates.
 365  * \param[in] coordinates  Coordinates in plain rvec format.
 366  * \param[in,out] nbat     Data in NBNXM format, used for mapping formats and to locate the output buffer.
 367  */
 368 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const Nbnxm::GridSet& gridSet,
 369                                      gmx::AtomLocality     locality,
 370                                      const rvec*           coordinates,
 371                                      nbnxn_atomdata_t*     nbat);
 372
 373 /*! \brief Transform coordinates to xbat layout on GPU
 374  *
 375  * Creates a GPU copy of the coordinates buffer using short-range ordering.
 376  * As input, uses coordinates in plain rvec format in GPU memory.
 377  *
 378  * \param[in]     gridSet    The grids data.
 379  * \param[in]     locality   If the transformation should be applied to local or non local coordinates.
 380  * \param[in,out] gpu_nbv    The NBNXM GPU data structure.
 381  * \param[in]     d_x        Coordinates to be copied (in plain rvec format).
 382  * \param[in]     xReadyOnDevice   Event synchronizer indicating that the coordinates are ready in the device memory.
 383  */
 384 void nbnxn_atomdata_x_to_nbat_x_gpu(const Nbnxm::GridSet&   gridSet,
 385                                     gmx::AtomLocality       locality,
 386                                     NbnxmGpu*               gpu_nbv,
 387                                     DeviceBuffer<gmx::RVec> d_x,
 388                                     GpuEventSynchronizer*   xReadyOnDevice);
 389
 390 /*! \brief Add the computed forces to \p f, an internal reduction might be performed as well
 391  *
 392  * \param[in]  nbat        Atom data in NBNXM format.
 393  * \param[in]  locality    If the reduction should be performed on local or non-local atoms.
 394  * \param[in]  gridSet     The grids data.
 395  * \param[out] totalForce  Buffer to accumulate resulting force
 396  */
 397 void reduceForces(nbnxn_atomdata_t* nbat, gmx::AtomLocality locality, const Nbnxm::GridSet& gridSet, rvec* totalForce);
 398
 399 //! Add the fshift force stored in nbat to fshift
 400 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t& nbat, gmx::ArrayRef<gmx::RVec> fshift);
 401
 402 //! Get the atom start index and number of atoms for a given locality
 403 void nbnxn_get_atom_range(gmx::AtomLocality     atomLocality,
 404                           const Nbnxm::GridSet& gridSet,
 405                           int*                  atomStart,
 406                           int*                  nAtoms);
 407 #endif