src/gromacs/nbnxm/nbnxm.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2017,2018,2019, 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
  36 // FIXME: remove the "__" prefix in front of the group def when we move the
  37 //        nonbonded code into separate dir.
  38
  39 /*! \libinternal \defgroup __module_nbnxm Short-range non-bonded interaction module
  40  * \ingroup group_mdrun
  41  *
  42  * \brief Computes forces and energies for short-range pair-interactions
  43  * based on the Verlet algorithm. The algorithm uses pair-lists generated
  44  * at fixed intervals as well as various flavors of pair interaction kernels
  45  * implemented for a wide range of CPU and GPU architectures.
  46  *
  47  * The module includes support for flavors of Coulomb and Lennard-Jones interaction
  48  * treatment implemented for a large range of SIMD instruction sets for CPU
  49  * architectures as well as in CUDA and OpenCL for GPU architectures.
  50  * Additionally there is a reference CPU non-SIMD and a reference CPU
  51  * for GPU pair-list setup interaction kernel.
  52  *
  53  * The implementation of the kernels is based on the cluster non-bonded algorithm
  54  * which in the code is referred to as the NxM algorithms ("nbnxm_" prefix);
  55  * for details of the algorithm see DOI:10.1016/j.cpc.2013.06.003.
  56  *
  57  * Algorithmically, the non-bonded computation has two different modes:
  58  * A "classical" mode: generate a list every nstlist steps containing at least
  59  * all atom pairs up to a distance of rlistOuter and compute pair interactions
  60  * for all pairs that are within the interaction cut-off.
  61  * A "dynamic pruning" mode: generate an "outer-list" up to cut-off rlistOuter
  62  * every nstlist steps and prune the outer-list using a cut-off of rlistInner
  63  * every nstlistPrune steps to obtain a, smaller, "inner-list". This
  64  * results in fewer interaction computations and allows for a larger nstlist.
  65  * On a GPU, this dynamic pruning is performed in a rolling fashion, pruning
  66  * only a sub-part of the list each (second) step. This way it can often
  67  * overlap with integration and constraints on the CPU.
  68  * Currently a simple heuristic determines which mode will be used.
  69  *
  70  * TODO: add a summary list and brief descriptions of the different submodules:
  71  * search, CPU kernels, GPU glue code + kernels.
  72  *
  73  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  74  * \author Szilárd Páll <pall.szilard@gmail.com>
  75  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  76  * \author Anca Hamuraru <anca@streamcomputing.eu>
  77  * \author Teemu Virolainen <teemu@streamcomputing.eu>
  78  * \author Dimitrios Karkoulis <dimitris.karkoulis@gmail.com>
  79  *
  80  * TODO: add more authors!
  81  */
  82
  83 /*! \libinternal \file
  84  *
  85  * \brief This file contains the public interface of the nbnxm module
  86  * that implements the NxM atom cluster non-bonded algorithm to efficiently
  87  * compute pair forces.
  88  *
  89  *
  90  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
  91  * \author Szilárd Páll <pall.szilard@gmail.com>
  92  *
  93  * \inlibraryapi
  94  * \ingroup __module_nbnxm
  95  */
  96
  97
  98 #ifndef GMX_NBNXM_NBNXM_H
  99 #define GMX_NBNXM_NBNXM_H
 100
 101 #include <memory>
 102
 103 #include "gromacs/math/vectypes.h"
 104 #include "gromacs/nbnxm/pairlist.h"
 105 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
 106 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
 107 #include "gromacs/utility/real.h"
 108
 109 #include "locality.h"
 110
 111 // TODO: Remove this include and the two nbnxm includes above
 112 #include "nbnxm_gpu.h"
 113
 114 struct gmx_device_info_t;
 115 struct gmx_domdec_zones_t;
 116 struct gmx_enerdata_t;
 117 struct gmx_hw_info_t;
 118 struct gmx_mtop_t;
 119 struct interaction_const_t;
 120 struct nbnxn_pairlist_set_t;
 121 struct nbnxn_search;
 122 struct nonbonded_verlet_t;
 123 struct t_blocka;
 124 struct t_commrec;
 125 struct t_lambda;
 126 struct t_mdatoms;
 127 struct t_nrnb;
 128 struct t_forcerec;
 129 struct t_inputrec;
 130
 131 namespace gmx
 132 {
 133 class MDLogger;
 134 class UpdateGroupsCog;
 135 }
 136
 137 /*! \brief Resources that can be used to execute non-bonded kernels on */
 138 enum class NonbondedResource : int
 139 {
 140     Cpu,
 141     Gpu,
 142     EmulateGpu
 143 };
 144
 145 namespace Nbnxm
 146 {
 147
 148 /*! \brief Nonbonded NxN kernel types: plain C, CPU SIMD, GPU, GPU emulation */
 149 enum class KernelType : int
 150 {
 151     NotSet = 0,
 152     Cpu4x4_PlainC,
 153     Cpu4xN_Simd_4xN,
 154     Cpu4xN_Simd_2xNN,
 155     Gpu8x8x8,
 156     Cpu8x8x8_PlainC,
 157     Count
 158 };
 159
 160 /*! \brief Ewald exclusion types */
 161 enum class EwaldExclusionType : int
 162 {
 163     NotSet = 0,
 164     Table,
 165     Analytical,
 166     DecidedByGpuModule
 167 };
 168
 169 /* \brief The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel */
 170 struct KernelSetup
 171 {
 172     //! The non-bonded type, also affects the pairlist construction kernel
 173     KernelType         kernelType = KernelType::NotSet;
 174     //! Ewald exclusion computation handling type, currently only used for CPU
 175     EwaldExclusionType ewaldExclusionType = EwaldExclusionType::NotSet;
 176 };
 177
 178 /*! \brief Return a string identifying the kernel type.
 179  *
 180  * \param [in] kernelType   nonbonded kernel type, takes values from the nbnxn_kernel_type enum
 181  * \returns                 a string identifying the kernel corresponding to the type passed as argument
 182  */
 183 const char *lookup_kernel_name(Nbnxm::KernelType kernelType);
 184
 185 } // namespace Nbnxm
 186
 187 /*! \brief Flag to tell the nonbonded kernels whether to clear the force output buffers */
 188 enum {
 189     enbvClearFNo, enbvClearFYes
 190 };
 191
 192 /*! \brief Generates a pair-list for the given locality.
 193  *
 194  * With perturbed particles, also a group scheme style nbl_fep list is made.
 195  */
 196 void nbnxn_make_pairlist(nonbonded_verlet_t         *nbv,
 197                          Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 198                          nbnxn_pairlist_set_t       *pairlistSet,
 199                          const t_blocka             *excl,
 200                          int64_t                     step,
 201                          t_nrnb                     *nrnb);
 202
 203 /*! \brief Prune all pair-lists with given locality (currently CPU only)
 204  *
 205  * For all pair-lists with given locality, takes the outer list and prunes out
 206  * pairs beyond the pairlist inner radius and writes the result to a list that is
 207  * to be consumed by the non-bonded kernel.
 208  */
 209 void NbnxnDispatchPruneKernel(nbnxn_pairlist_set_t   *pairlistSet,
 210                               Nbnxm::KernelType       kernelType,
 211                               const nbnxn_atomdata_t *nbat,
 212                               const rvec             *shift_vec);
 213
 214 /*! \libinternal
 215  *  \brief Top-level non-bonded data structure for the Verlet-type cut-off scheme. */
 216 struct nonbonded_verlet_t
 217 {
 218     public:
 219         //! Returns whether a GPU is use for the non-bonded calculations
 220         bool useGpu() const
 221         {
 222             return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Gpu8x8x8;
 223         }
 224
 225         //! Returns whether a GPU is emulated for the non-bonded calculations
 226         bool emulateGpu() const
 227         {
 228             return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Cpu8x8x8_PlainC;
 229         }
 230
 231         //! Return whether the pairlist is of simple, CPU type
 232         bool pairlistIsSimple() const
 233         {
 234             return !useGpu() && !emulateGpu();
 235         }
 236
 237         //! Initialize the pair list sets, TODO this should be private
 238         void initPairlistSets(bool haveMultipleDomains);
 239
 240         //! Returns a reference to the pairlist set for the requested locality
 241         const nbnxn_pairlist_set_t &pairlistSet(Nbnxm::InteractionLocality iLocality) const
 242         {
 243             GMX_ASSERT(static_cast<size_t>(iLocality) < pairlistSets_.size(),
 244                        "The requested locality should be in the list");
 245             return pairlistSets_[static_cast<int>(iLocality)];
 246         }
 247
 248         //! Constructs the pairlist for the given locality
 249         void constructPairlist(Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 250                                const t_blocka             *excl,
 251                                int64_t                     step,
 252                                t_nrnb                     *nrnb)
 253         {
 254             nbnxn_make_pairlist(this, iLocality, &pairlistSets_[static_cast<int>(iLocality)], excl, step, nrnb);
 255         }
 256
 257         //! Dispatches the dynamic pruning kernel for the given locality
 258         void dispatchPruneKernel(Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 259                                  const rvec                 *shift_vec)
 260         {
 261             GMX_ASSERT(static_cast<size_t>(iLocality) < pairlistSets_.size(),
 262                        "The requested locality should be in the list");
 263             NbnxnDispatchPruneKernel(&pairlistSets_[static_cast<int>(iLocality)],
 264                                      kernelSetup_.kernelType, nbat, shift_vec);
 265         }
 266
 267         //! Dispatches the non-bonded free-energy kernel, always runs on the CPU
 268         void dispatchFreeEnergyKernel(Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 269                                       t_forcerec                 *fr,
 270                                       rvec                        x[],
 271                                       rvec                        f[],
 272                                       const t_mdatoms            &mdatoms,
 273                                       t_lambda                   *fepvals,
 274                                       real                       *lambda,
 275                                       gmx_enerdata_t             *enerd,
 276                                       int                         forceFlags,
 277                                       t_nrnb                     *nrnb);
 278
 279         //! Return the kernel setup
 280         const Nbnxm::KernelSetup &kernelSetup() const
 281         {
 282             return kernelSetup_;
 283         }
 284
 285         //! Sets the kernel setup, TODO: make private
 286         void setKernelSetup(const Nbnxm::KernelSetup &kernelSetup)
 287         {
 288             kernelSetup_ = kernelSetup;
 289         }
 290
 291         //! Parameters for the search and list pruning setup
 292         std::unique_ptr<NbnxnListParameters>  listParams;
 293         //! Working data for constructing the pairlists
 294         std::unique_ptr<nbnxn_search>         nbs;
 295     private:
 296         //! Local and, optionally, non-local pairlist sets
 297         std::vector<nbnxn_pairlist_set_t>     pairlistSets_;
 298     public:
 299         //! Atom data
 300         nbnxn_atomdata_t                     *nbat;
 301
 302     private:
 303         //! The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel
 304         Nbnxm::KernelSetup   kernelSetup_;
 305     public:
 306
 307         gmx_nbnxn_gpu_t     *gpu_nbv;         /**< pointer to GPU nb verlet data     */
 308         int                  min_ci_balanced; /**< pair list balancing parameter used for the 8x8x8 GPU kernels    */
 309 };
 310
 311 namespace Nbnxm
 312 {
 313
 314 /*! \brief Initializes the nbnxn module */
 315 void init_nb_verlet(const gmx::MDLogger     &mdlog,
 316                     nonbonded_verlet_t     **nb_verlet,
 317                     gmx_bool                 bFEP_NonBonded,
 318                     const t_inputrec        *ir,
 319                     const t_forcerec        *fr,
 320                     const t_commrec         *cr,
 321                     const gmx_hw_info_t     &hardwareInfo,
 322                     const gmx_device_info_t *deviceInfo,
 323                     const gmx_mtop_t        *mtop,
 324                     matrix                   box);
 325
 326 } // namespace Nbnxm
 327
 328 /*! \brief Put the atoms on the pair search grid.
 329  *
 330  * Only atoms atomStart to atomEnd in x are put on the grid.
 331  * The atom_density is used to determine the grid size.
 332  * When atomDensity<=0, the density is determined from atomEnd-atomStart and the corners.
 333  * With domain decomposition part of the n particles might have migrated,
 334  * but have not been removed yet. This count is given by nmoved.
 335  * When move[i] < 0 particle i has migrated and will not be put on the grid.
 336  * Without domain decomposition move will be NULL.
 337  */
 338 void nbnxn_put_on_grid(nonbonded_verlet_t             *nb_verlet,
 339                        const matrix                    box,
 340                        int                             ddZone,
 341                        const rvec                      lowerCorner,
 342                        const rvec                      upperCorner,
 343                        const gmx::UpdateGroupsCog     *updateGroupsCog,
 344                        int                             atomStart,
 345                        int                             atomEnd,
 346                        real                            atomDensity,
 347                        const int                      *atinfo,
 348                        gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  x,
 349                        int                             numAtomsMoved,
 350                        const int                      *move);
 351
 352 /*! \brief As nbnxn_put_on_grid, but for the non-local atoms
 353  *
 354  * with domain decomposition. Should be called after calling
 355  * nbnxn_search_put_on_grid for the local atoms / home zone.
 356  */
 357 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nonbonded_verlet_t              *nb_verlet,
 358                                 const struct gmx_domdec_zones_t *zones,
 359                                 const int                       *atinfo,
 360                                 gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>   x);
 361
 362 /*! \brief Returns the number of x and y cells in the local grid */
 363 void nbnxn_get_ncells(const nbnxn_search *nbs, int *ncx, int *ncy);
 364
 365 /*! \brief Returns the order indices of the atoms on the pairlist search grid */
 366 gmx::ArrayRef<const int> nbnxn_get_atomorder(const nbnxn_search* nbs);
 367
 368 /*! \brief Renumbers the atom indices on the grid to consecutive order */
 369 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search *nbs);
 370
 371 /*! \brief Returns the index position of the atoms on the pairlist search grid */
 372 gmx::ArrayRef<const int> nbnxn_get_gridindices(const nbnxn_search* nbs);
 373
 374 /*! \brief Returns the number of steps performed with the current pair list */
 375 int nbnxnNumStepsWithPairlist(const nonbonded_verlet_t   &nbv,
 376                               Nbnxm::InteractionLocality  ilocality,
 377                               int64_t                     step);
 378
 379 /*! \brief Returns whether step is a dynamic list pruning step */
 380 bool nbnxnIsDynamicPairlistPruningStep(const nonbonded_verlet_t   &nbv,
 381                                        Nbnxm::InteractionLocality  ilocality,
 382                                        int64_t                     step);
 383
 384 /*! \brief Executes the non-bonded kernel of the GPU or launches it on the GPU */
 385 void NbnxnDispatchKernel(nonbonded_verlet_t         *nbv,
 386                          Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 387                          const interaction_const_t  &ic,
 388                          int                         forceFlags,
 389                          int                         clearF,
 390                          t_forcerec                 *fr,
 391                          gmx_enerdata_t             *enerd,
 392                          t_nrnb                     *nrnb);
 393
 394 #endif // GMX_NBNXN_NBNXN_H