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, 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 struct tMPI_Atomic;
  68
  69 class GpuEventSynchronizer;
  70
  71 namespace Nbnxm
  72 {
  73 class GridSet;
  74 enum class KernelType;
  75 } // namespace Nbnxm
  76
  77 //! Convenience type for vector with aligned memory
  78 template<typename T>
  79 using AlignedVector = std::vector<T, gmx::AlignedAllocator<T>>;
  80
  81 enum
  82 {
  83     nbatXYZ,
  84     nbatXYZQ,
  85     nbatX4,
  86     nbatX8
  87 };
  88
  89 //! Stride for coordinate/force arrays with xyz coordinate storage
  90 static constexpr int STRIDE_XYZ = 3;
  91 //! Stride for coordinate/force arrays with xyzq coordinate storage
  92 static constexpr int STRIDE_XYZQ = 4;
  93 //! Size of packs of x, y or z with SIMD 4-grouped packed coordinates/forces
  94 static constexpr int c_packX4 = 4;
  95 //! Size of packs of x, y or z with SIMD 8-grouped packed coordinates/forces
  96 static constexpr int c_packX8 = 8;
  97 //! Stridefor a pack of 4 coordinates/forces
  98 static constexpr int STRIDE_P4 = DIM * c_packX4;
  99 //! Stridefor a pack of 8 coordinates/forces
 100 static constexpr int STRIDE_P8 = DIM * c_packX8;
 101
 102 //! Returns the index in a coordinate array corresponding to atom a
 103 template<int packSize>
 104 static inline int atom_to_x_index(int a)
 105 {
 106     return DIM * (a & ~(packSize - 1)) + (a & (packSize - 1));
 107 }
 108
 109 /*! \internal
 110  * \brief Struct that holds force and energy output buffers */
 111 struct nbnxn_atomdata_output_t
 112 {
 113     /*! \brief Constructor
 114      *
 115      * \param[in] kernelType              Type of non-bonded kernel
 116      * \param[in] numEnergyGroups         The number of energy groups
 117      * \param[in] simdEnergyBufferStride  Stride for entries in the energy buffers for SIMD kernels
 118      * \param[in] pinningPolicy           Sets the pinning policy for all buffers used on the GPU
 119      */
 120     nbnxn_atomdata_output_t(Nbnxm::KernelType  kernelType,
 121                             int                numEnergyGroups,
 122                             int                simdEnergyBufferStride,
 123                             gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 124
 125     //! f, size natoms*fstride
 126     gmx::HostVector<real> f;
 127     //! Shift force array, size SHIFTS*DIM
 128     gmx::HostVector<real> fshift;
 129     //! Temporary Van der Waals group energy storage
 130     gmx::HostVector<real> Vvdw;
 131     //! Temporary Coulomb group energy storage
 132     gmx::HostVector<real> Vc;
 133     //! Temporary SIMD Van der Waals group energy storage
 134     AlignedVector<real> VSvdw;
 135     //! Temporary SIMD Coulomb group energy storage
 136     AlignedVector<real> VSc;
 137 };
 138
 139 /*! \brief Block size in atoms for the non-bonded thread force-buffer reduction.
 140  *
 141  * Should be a multiple of all cell and x86 SIMD sizes (i.e. 2, 4 and 8).
 142  * Should be small to reduce the reduction and zeroing cost,
 143  * but too small will result in overhead.
 144  * Currently the block size is NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*3*sizeof(real)=192 bytes.
 145  */
 146 #if GMX_DOUBLE
 147 #    define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE 8
 148 #else
 149 #    define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE 16
 150 #endif
 151
 152 /*! \brief We store the reduction flags as gmx_bitmask_t.
 153  * This limits the number of flags to BITMASK_SIZE.
 154  */
 155 #define NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS (BITMASK_SIZE)
 156
 157
 158 /*! \brief LJ combination rules: geometric, Lorentz-Berthelot, none */
 159 enum
 160 {
 161     ljcrGEOM,
 162     ljcrLB,
 163     ljcrNONE,
 164     ljcrNR
 165 };
 166
 167 /*! \internal
 168  * \brief Struct that stores atom related data for the nbnxn module
 169  *
 170  * Note: performance would improve slightly when all std::vector containers
 171  *       in this struct would not initialize during resize().
 172  */
 173 struct nbnxn_atomdata_t
 174 { //NOLINT(clang-analyzer-optin.performance.Padding)
 175     /*! \internal
 176      * \brief The actual atom data parameter values */
 177     struct Params
 178     {
 179         /*! \brief Constructor
 180          *
 181          * \param[in] pinningPolicy  Sets the pinning policy for all data that might be transfered to a GPU
 182          */
 183         Params(gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 184
 185         //! The number of different atom types
 186         int numTypes;
 187         //! Lennard-Jone 6*C6 and 12*C12 parameters, size numTypes*2*2
 188         gmx::HostVector<real> nbfp;
 189         //! Combination rule, see enum defined above
 190         int comb_rule;
 191         //! LJ parameters per atom type, size numTypes*2
 192         gmx::HostVector<real> nbfp_comb;
 193         //! As nbfp, but with a stride for the present SIMD architecture
 194         AlignedVector<real> nbfp_aligned;
 195         //! Atom types per atom
 196         gmx::HostVector<int> type;
 197         //! LJ parameters per atom for fast SIMD loading
 198         gmx::HostVector<real> lj_comb;
 199         //! Charges per atom, not set with format nbatXYZQ
 200         gmx::HostVector<real> q;
 201         //! The number of energy groups
 202         int nenergrp;
 203         //! 2log(nenergrp)
 204         int neg_2log;
 205         //! The energy groups, one int entry per cluster, only set when needed
 206         gmx::HostVector<int> energrp;
 207     };
 208
 209     /*! \internal
 210      * \brief Diagonal and topology exclusion helper data for all SIMD kernels. */
 211     struct SimdMasks
 212     {
 213         SimdMasks();
 214
 215         //! Helper data for setting up diagonal exclusion masks in the SIMD 4xN kernels
 216         AlignedVector<real> diagonal_4xn_j_minus_i;
 217         //! Helper data for setting up diaginal exclusion masks in the SIMD 2xNN kernels
 218         AlignedVector<real> diagonal_2xnn_j_minus_i;
 219         //! Filters for topology exclusion masks for the SIMD kernels
 220         AlignedVector<uint32_t> exclusion_filter;
 221         //! Filters for topology exclusion masks for double SIMD kernels without SIMD int32 logical support
 222         AlignedVector<uint64_t> exclusion_filter64;
 223         //! Array of masks needed for exclusions
 224         AlignedVector<real> interaction_array;
 225     };
 226
 227     /*! \brief Constructor
 228      *
 229      * \param[in] pinningPolicy  Sets the pinning policy for all data that might be transfered to a GPU
 230      */
 231     nbnxn_atomdata_t(gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 232
 233     //! Returns a const reference to the parameters
 234     const Params& params() const { return params_; }
 235
 236     //! Returns a non-const reference to the parameters
 237     Params& paramsDeprecated() { return params_; }
 238
 239     //! Returns the current total number of atoms stored
 240     int numAtoms() const { return numAtoms_; }
 241
 242     //! Return the coordinate buffer, and q with xFormat==nbatXYZQ
 243     gmx::ArrayRef<const real> x() const { return x_; }
 244
 245     //! Return the coordinate buffer, and q with xFormat==nbatXYZQ
 246     gmx::ArrayRef<real> x() { return x_; }
 247
 248     //! Resizes the coordinate buffer and sets the number of atoms
 249     void resizeCoordinateBuffer(int numAtoms);
 250
 251     //! Resizes the force buffers for the current number of atoms
 252     void resizeForceBuffers();
 253
 254 private:
 255     //! The LJ and charge parameters
 256     Params params_;
 257     //! The total number of atoms currently stored
 258     int numAtoms_;
 259
 260 public:
 261     //! Number of local atoms
 262     int natoms_local;
 263     //! The format of x (and q), enum
 264     int XFormat;
 265     //! The format of f, enum
 266     int FFormat;
 267     //! Do we need to update shift_vec every step?
 268     gmx_bool bDynamicBox;
 269     //! Shift vectors, copied from t_forcerec
 270     gmx::HostVector<gmx::RVec> shift_vec;
 271     //! stride for a coordinate in x (usually 3 or 4)
 272     int xstride;
 273     //! stride for a coordinate in f (usually 3 or 4)
 274     int fstride;
 275
 276 private:
 277     //! x and possibly q, size natoms*xstride
 278     gmx::HostVector<real> x_;
 279
 280 public:
 281     //! Masks for handling exclusions in the SIMD kernels
 282     const SimdMasks simdMasks;
 283
 284     //! Output data structures, 1 per thread
 285     std::vector<nbnxn_atomdata_output_t> out;
 286
 287     //! Reduction related data
 288     //! \{
 289     //! Use the flags or operate on all atoms
 290     gmx_bool bUseBufferFlags;
 291     //! Flags for buffer zeroing+reduc.
 292     std::vector<gmx_bitmask_t> buffer_flags;
 293     //! Use tree for force reduction
 294     gmx_bool bUseTreeReduce;
 295     //! Synchronization step for tree reduce
 296     tMPI_Atomic* syncStep;
 297     //! \}
 298 };
 299
 300 /*! \brief Copy na rvec elements from x to xnb using nbatFormat, start dest a0,
 301  * and fills up to na_round with coordinates that are far away.
 302  */
 303 void copy_rvec_to_nbat_real(const int* a, int na, int na_round, const rvec* x, int nbatFormat, real* xnb, int a0);
 304
 305 //! Describes the combination rule in use by this force field
 306 enum
 307 {
 308     enbnxninitcombruleDETECT,
 309     enbnxninitcombruleGEOM,
 310     enbnxninitcombruleLB,
 311     enbnxninitcombruleNONE
 312 };
 313
 314 /*! \brief Initialize the non-bonded atom data structure.
 315  *
 316  * The enum for nbatXFormat is in the file defining nbnxn_atomdata_t.
 317  * Copy the ntypes*ntypes*2 sized nbfp non-bonded parameter list
 318  * to the atom data structure.
 319  * enbnxninitcombrule sets what combination rule data gets stored in nbat.
 320  */
 321 void nbnxn_atomdata_init(const gmx::MDLogger&      mdlog,
 322                          nbnxn_atomdata_t*         nbat,
 323                          Nbnxm::KernelType         kernelType,
 324                          int                       enbnxninitcombrule,
 325                          int                       ntype,
 326                          gmx::ArrayRef<const real> nbfp,
 327                          int                       n_energygroups,
 328                          int                       nout);
 329
 330 //! Sets the atomdata after pair search
 331 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t*         nbat,
 332                         const Nbnxm::GridSet&     gridSet,
 333                         gmx::ArrayRef<const int>  atomTypes,
 334                         gmx::ArrayRef<const real> atomCharges,
 335                         gmx::ArrayRef<const int>  atomInfo);
 336
 337 //! Copy the shift vectors to nbat
 338 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool dynamic_box, rvec* shift_vec, nbnxn_atomdata_t* nbat);
 339
 340 /*! \brief Transform coordinates to xbat layout
 341  *
 342  * Creates a copy of the coordinates buffer using short-range ordering.
 343  *
 344  * \param[in] gridSet      The grids data.
 345  * \param[in] locality     If the transformation should be applied to local or non local coordinates.
 346  * \param[in] fillLocal    Tells if the local filler particle coordinates should be zeroed.
 347  * \param[in] coordinates  Coordinates in plain rvec format.
 348  * \param[in,out] nbat     Data in NBNXM format, used for mapping formats and to locate the output buffer.
 349  */
 350 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const Nbnxm::GridSet& gridSet,
 351                                      gmx::AtomLocality     locality,
 352                                      bool                  fillLocal,
 353                                      const rvec*           coordinates,
 354                                      nbnxn_atomdata_t*     nbat);
 355
 356 /*! \brief Transform coordinates to xbat layout on GPU
 357  *
 358  * Creates a GPU copy of the coordinates buffer using short-range ordering.
 359  * As input, uses coordinates in plain rvec format in GPU memory.
 360  *
 361  * \param[in]     gridSet    The grids data.
 362  * \param[in]     locality   If the transformation should be applied to local or non local coordinates.
 363  * \param[in]     fillLocal  Tells if the local filler particle coordinates should be zeroed.
 364  * \param[in,out] gpu_nbv    The NBNXM GPU data structure.
 365  * \param[in]     d_x        Coordinates to be copied (in plain rvec format).
 366  * \param[in]     xReadyOnDevice   Event synchronizer indicating that the coordinates are ready in the device memory.
 367  */
 368 void nbnxn_atomdata_x_to_nbat_x_gpu(const Nbnxm::GridSet&   gridSet,
 369                                     gmx::AtomLocality       locality,
 370                                     bool                    fillLocal,
 371                                     NbnxmGpu*               gpu_nbv,
 372                                     DeviceBuffer<gmx::RVec> d_x,
 373                                     GpuEventSynchronizer*   xReadyOnDevice);
 374
 375 /*! \brief Add the computed forces to \p f, an internal reduction might be performed as well
 376  *
 377  * \param[in]  nbat        Atom data in NBNXM format.
 378  * \param[in]  locality    If the reduction should be performed on local or non-local atoms.
 379  * \param[in]  gridSet     The grids data.
 380  * \param[out] totalForce  Buffer to accumulate resulting force
 381  */
 382 void reduceForces(nbnxn_atomdata_t* nbat, gmx::AtomLocality locality, const Nbnxm::GridSet& gridSet, rvec* totalForce);
 383
 384 //! Add the fshift force stored in nbat to fshift
 385 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t& nbat, gmx::ArrayRef<gmx::RVec> fshift);
 386
 387 //! Get the atom start index and number of atoms for a given locality
 388 void nbnxn_get_atom_range(gmx::AtomLocality     atomLocality,
 389                           const Nbnxm::GridSet& gridSet,
 390                           int*                  atomStart,
 391                           int*                  nAtoms);
 392 #endif