5195a61f92bda15c440f354a05c4f7cbcdbffc2a
[alexxy/gromacs.git] / 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 by the GROMACS development team.
5  * Copyright (c) 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
37 // FIXME: remove the "__" prefix in front of the group def when we move the
38 //        nonbonded code into separate dir.
39
40 /*! \libinternal \defgroup __module_nbnxm Short-range non-bonded interaction module
41  * \ingroup group_mdrun
42  *
43  * \brief Computes forces and energies for short-range pair-interactions
44  * based on the Verlet algorithm. The algorithm uses pair-lists generated
45  * at fixed intervals as well as various flavors of pair interaction kernels
46  * implemented for a wide range of CPU and GPU architectures.
47  *
48  * The module includes support for flavors of Coulomb and Lennard-Jones interaction
49  * treatment implemented for a large range of SIMD instruction sets for CPU
50  * architectures as well as in CUDA and OpenCL for GPU architectures.
51  * Additionally there is a reference CPU non-SIMD and a reference CPU
52  * for GPU pair-list setup interaction kernel.
53  *
54  * The implementation of the kernels is based on the cluster non-bonded algorithm
55  * which in the code is referred to as the NxM algorithms ("nbnxm_" prefix);
56  * for details of the algorithm see DOI:10.1016/j.cpc.2013.06.003.
57  *
58  * Algorithmically, the non-bonded computation has two different modes:
59  * A "classical" mode: generate a list every nstlist steps containing at least
60  * all atom pairs up to a distance of rlistOuter and compute pair interactions
61  * for all pairs that are within the interaction cut-off.
62  * A "dynamic pruning" mode: generate an "outer-list" up to cut-off rlistOuter
63  * every nstlist steps and prune the outer-list using a cut-off of rlistInner
64  * every nstlistPrune steps to obtain a, smaller, "inner-list". This
65  * results in fewer interaction computations and allows for a larger nstlist.
66  * On a GPU, this dynamic pruning is performed in a rolling fashion, pruning
67  * only a sub-part of the list each (second) step. This way it can often
68  * overlap with integration and constraints on the CPU.
69  * Currently a simple heuristic determines which mode will be used.
70  *
71  * TODO: add a summary list and brief descriptions of the different submodules:
72  * search, CPU kernels, GPU glue code + kernels.
73  *
74  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
75  * \author Szilárd Páll <pall.szilard@gmail.com>
76  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
77  * \author Anca Hamuraru <anca@streamcomputing.eu>
78  * \author Teemu Virolainen <teemu@streamcomputing.eu>
79  * \author Dimitrios Karkoulis <dimitris.karkoulis@gmail.com>
80  *
81  * TODO: add more authors!
82  */
83
84 /*! \libinternal
85  * \defgroup module_nbnxm Non-bonded pair interactions
86  * \ingroup group_mdrun
87  * \brief
88  * Implements non-bonded pair interaction functionality for NxM atom clusters.
89  *
90  * This module provides methods to, very efficiently, compute non-bonded
91  * pair interactions on CPUs as well as accelerators. It also provides
92  * a method to construct the NxM atom-cluster pair-list required for
93  * computing these non-bonded iteractions.
94  */
95
96 /*! \libinternal \file
97  *
98  * \brief This file contains the public interface of the nbnxm module
99  * that implements the NxM atom cluster non-bonded algorithm to efficiently
100  * compute pair forces.
101  *
102  *
103  * \author Berk Hess <hess@kth.se>
104  * \author Szilárd Páll <pall.szilard@gmail.com>
105  *
106  * \inlibraryapi
107  * \ingroup module_nbnxm
108  */
109
110
111 #ifndef GMX_NBNXM_NBNXM_H
112 #define GMX_NBNXM_NBNXM_H
113
114 #include <memory>
115
116 #include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer_datatype.h"
117 #include "gromacs/math/vectypes.h"
118 #include "gromacs/mdtypes/locality.h"
119 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
120 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
121 #include "gromacs/utility/real.h"
122
123 struct DeviceInformation;
124 struct gmx_domdec_zones_t;
125 struct gmx_enerdata_t;
126 struct gmx_hw_info_t;
127 struct gmx_mtop_t;
128 struct NbnxmGpu;
129 struct gmx_wallcycle;
130 struct interaction_const_t;
131 enum class LJCombinationRule;
132 struct nbnxn_atomdata_t;
133 struct nonbonded_verlet_t;
134 class PairSearch;
135 class PairlistSets;
136 struct t_commrec;
137 struct t_lambda;
138 struct t_nrnb;
139 struct t_forcerec;
140 struct t_inputrec;
141
142 class GpuEventSynchronizer;
143
144 namespace gmx
145 {
146 class DeviceStreamManager;
147 class ForceWithShiftForces;
148 class GpuBonded;
149 template<typename>
150 class ListOfLists;
151 class MDLogger;
152 template<typename>
153 class Range;
154 class StepWorkload;
155 class UpdateGroupsCog;
156 } // namespace gmx
157
158 //! Namespace for non-bonded kernels
159 namespace Nbnxm
160 {
161 enum class KernelType;
162
163 /*! \brief Nbnxm electrostatic GPU kernel flavors.
164  *
165  *  Types of electrostatics implementations available in the GPU non-bonded
166  *  force kernels. These represent both the electrostatics types implemented
167  *  by the kernels (cut-off, RF, and Ewald - a subset of what's defined in
168  *  enums.h) as well as encode implementation details analytical/tabulated
169  *  and single or twin cut-off (for Ewald kernels).
170  *  Note that the cut-off and RF kernels have only analytical flavor and unlike
171  *  in the CPU kernels, the tabulated kernels are ATM Ewald-only.
172  *
173  *  The row-order of pointers to different electrostatic kernels defined in
174  *  nbnxn_cuda.cu by the nb_*_kfunc_ptr function pointer table
175  *  should match the order of enumerated types below.
176  */
177 enum class ElecType : int
178 {
179     Cut,          //!< Plain cut-off
180     RF,           //!< Reaction field
181     EwaldTab,     //!< Tabulated Ewald with single cut-off
182     EwaldTabTwin, //!< Tabulated Ewald with twin cut-off
183     EwaldAna,     //!< Analytical Ewald with single cut-off
184     EwaldAnaTwin, //!< Analytical Ewald with twin cut-off
185     Count         //!< Number of valid values
186 };
187
188 //! Number of possible \ref ElecType values.
189 constexpr int c_numElecTypes = static_cast<int>(ElecType::Count);
190
191 /*! \brief Nbnxm VdW GPU kernel flavors.
192  *
193  * The enumerates values correspond to the LJ implementations in the GPU non-bonded
194  * kernels.
195  *
196  * The column-order of pointers to different electrostatic kernels defined in
197  * nbnxn_cuda_ocl.cpp/.cu by the nb_*_kfunc_ptr function pointer table
198  * should match the order of enumerated types below.
199  */
200 enum class VdwType : int
201 {
202     Cut,         //!< Plain cut-off
203     CutCombGeom, //!< Cut-off with geometric combination rules
204     CutCombLB,   //!< Cut-off with Lorentz-Berthelot combination rules
205     FSwitch,     //!< Smooth force switch
206     PSwitch,     //!< Smooth potential switch
207     EwaldGeom,   //!< Ewald with geometric combination rules
208     EwaldLB,     //!< Ewald with Lorentz-Berthelot combination rules
209     Count        //!< Number of valid values
210 };
211
212 //! Number of possible \ref VdwType values.
213 constexpr int c_numVdwTypes = static_cast<int>(VdwType::Count);
214
215 /*! \brief Nonbonded NxN kernel types: plain C, CPU SIMD, GPU, GPU emulation */
216 enum class KernelType : int
217 {
218     NotSet = 0,
219     Cpu4x4_PlainC,
220     Cpu4xN_Simd_4xN,
221     Cpu4xN_Simd_2xNN,
222     Gpu8x8x8,
223     Cpu8x8x8_PlainC,
224     Count
225 };
226
227 /*! \brief Ewald exclusion types */
228 enum class EwaldExclusionType : int
229 {
230     NotSet = 0,
231     Table,
232     Analytical,
233     DecidedByGpuModule
234 };
235
236 /* \brief The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel */
237 struct KernelSetup
238 {
239     //! The non-bonded type, also affects the pairlist construction kernel
240     KernelType kernelType = KernelType::NotSet;
241     //! Ewald exclusion computation handling type, currently only used for CPU
242     EwaldExclusionType ewaldExclusionType = EwaldExclusionType::NotSet;
243 };
244
245 /*! \brief Return a string identifying the kernel type.
246  *
247  * \param [in] kernelType   nonbonded kernel type, takes values from the nbnxn_kernel_type enum
248  * \returns                 a string identifying the kernel corresponding to the type passed as argument
249  */
250 const char* lookup_kernel_name(Nbnxm::KernelType kernelType);
251
252 } // namespace Nbnxm
253
254 /*! \brief Flag to tell the nonbonded kernels whether to clear the force output buffers */
255 enum
256 {
257     enbvClearFNo,
258     enbvClearFYes
259 };
260
261 /*! \libinternal
262  *  \brief Top-level non-bonded data structure for the Verlet-type cut-off scheme. */
263 struct nonbonded_verlet_t
264 {
265 public:
266     //! Constructs an object from its components
267     nonbonded_verlet_t(std::unique_ptr<PairlistSets>     pairlistSets,
268                        std::unique_ptr<PairSearch>       pairSearch,
269                        std::unique_ptr<nbnxn_atomdata_t> nbat,
270                        const Nbnxm::KernelSetup&         kernelSetup,
271                        NbnxmGpu*                         gpu_nbv,
272                        gmx_wallcycle*                    wcycle);
273
274     ~nonbonded_verlet_t();
275
276     //! Returns whether a GPU is use for the non-bonded calculations
277     bool useGpu() const { return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Gpu8x8x8; }
278
279     //! Returns whether a GPU is emulated for the non-bonded calculations
280     bool emulateGpu() const
281     {
282         return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Cpu8x8x8_PlainC;
283     }
284
285     //! Return whether the pairlist is of simple, CPU type
286     bool pairlistIsSimple() const { return !useGpu() && !emulateGpu(); }
287
288
289     //! Returns the order of the local atoms on the grid
290     gmx::ArrayRef<const int> getLocalAtomOrder() const;
291
292     //! Sets the order of the local atoms to the order grid atom ordering
293     void setLocalAtomOrder() const;
294
295     //! Returns the index position of the atoms on the search grid
296     gmx::ArrayRef<const int> getGridIndices() const;
297
298     /*! \brief Constructs the pairlist for the given locality
299      *
300      * When there are no non-self exclusions, \p exclusions can be empty.
301      * Otherwise the number of lists in \p exclusions should match the number
302      * of atoms when not using DD, or the total number of atoms in the i-zones
303      * when using DD.
304      *
305      * \param[in] iLocality   The interaction locality: local or non-local
306      * \param[in] exclusions  Lists of exclusions for every atom.
307      * \param[in] step        Used to set the list creation step
308      * \param[in,out] nrnb    Flop accounting struct, can be nullptr
309      */
310     void constructPairlist(gmx::InteractionLocality     iLocality,
311                            const gmx::ListOfLists<int>& exclusions,
312                            int64_t                      step,
313                            t_nrnb*                      nrnb) const;
314
315     //! Updates all the atom properties in Nbnxm
316     void setAtomProperties(gmx::ArrayRef<const int>  atomTypes,
317                            gmx::ArrayRef<const real> atomCharges,
318                            gmx::ArrayRef<const int>  atomInfo) const;
319
320     /*!\brief Convert the coordinates to NBNXM format for the given locality.
321      *
322      * The API function for the transformation of the coordinates from one layout to another.
323      *
324      * \param[in] locality     Whether coordinates for local or non-local atoms should be
325      * transformed. \param[in] coordinates  Coordinates in plain rvec format to be transformed.
326      */
327     void convertCoordinates(gmx::AtomLocality locality, gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> coordinates);
328
329     /*!\brief Convert the coordinates to NBNXM format on the GPU for the given locality
330      *
331      * The API function for the transformation of the coordinates from one layout to another in the GPU memory.
332      *
333      * \param[in] locality        Whether coordinates for local or non-local atoms should be transformed.
334      * \param[in] d_x             GPU coordinates buffer in plain rvec format to be transformed.
335      * \param[in] xReadyOnDevice  Event synchronizer indicating that the coordinates are ready in the device memory.
336      */
337     void convertCoordinatesGpu(gmx::AtomLocality       locality,
338                                DeviceBuffer<gmx::RVec> d_x,
339                                GpuEventSynchronizer*   xReadyOnDevice);
340
341     //! Init for GPU version of setup coordinates in Nbnxm
342     void atomdata_init_copy_x_to_nbat_x_gpu() const;
343
344     //! Returns a reference to the pairlist sets
345     const PairlistSets& pairlistSets() const { return *pairlistSets_; }
346
347     //! Returns whether step is a dynamic list pruning step, for CPU lists
348     bool isDynamicPruningStepCpu(int64_t step) const;
349
350     //! Returns whether step is a dynamic list pruning step, for GPU lists
351     bool isDynamicPruningStepGpu(int64_t step) const;
352
353     //! Dispatches the dynamic pruning kernel for the given locality, for CPU lists
354     void dispatchPruneKernelCpu(gmx::InteractionLocality       iLocality,
355                                 gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> shift_vec) const;
356
357     //! Dispatches the dynamic pruning kernel for GPU lists
358     void dispatchPruneKernelGpu(int64_t step);
359
360     //! \brief Executes the non-bonded kernel of the GPU or launches it on the GPU
361     void dispatchNonbondedKernel(gmx::InteractionLocality       iLocality,
362                                  const interaction_const_t&     ic,
363                                  const gmx::StepWorkload&       stepWork,
364                                  int                            clearF,
365                                  gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> shiftvec,
366                                  gmx::ArrayRef<real>            repulsionDispersionSR,
367                                  gmx::ArrayRef<real>            CoulombSR,
368                                  t_nrnb*                        nrnb) const;
369
370     //! Executes the non-bonded free-energy kernel, always runs on the CPU
371     void dispatchFreeEnergyKernel(gmx::InteractionLocality       iLocality,
372                                   const t_forcerec&              fr,
373                                   gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> coords,
374                                   gmx::ForceWithShiftForces*     forceWithShiftForces,
375                                   gmx::ArrayRef<const real>      chargeA,
376                                   gmx::ArrayRef<const real>      chargeB,
377                                   gmx::ArrayRef<const int>       typeA,
378                                   gmx::ArrayRef<const int>       typeB,
379                                   t_lambda*                      fepvals,
380                                   gmx::ArrayRef<const real>      lambda,
381                                   gmx_enerdata_t*                enerd,
382                                   const gmx::StepWorkload&       stepWork,
383                                   t_nrnb*                        nrnb);
384
385     /*! \brief Add the forces stored in nbat to f, zeros the forces in nbat
386      * \param [in] locality         Local or non-local
387      * \param [inout] force         Force to be added to
388      */
389     void atomdata_add_nbat_f_to_f(gmx::AtomLocality locality, gmx::ArrayRef<gmx::RVec> force);
390
391     /*! \brief Get the number of atoms for a given locality
392      *
393      * \param [in] locality   Local or non-local
394      * \returns               The number of atoms for given locality
395      */
396     int getNumAtoms(gmx::AtomLocality locality) const;
397
398     //! Return the kernel setup
399     const Nbnxm::KernelSetup& kernelSetup() const { return kernelSetup_; }
400
401     //! Returns the outer radius for the pair list
402     real pairlistInnerRadius() const;
403
404     //! Returns the outer radius for the pair list
405     real pairlistOuterRadius() const;
406
407     //! Changes the pair-list outer and inner radius
408     void changePairlistRadii(real rlistOuter, real rlistInner) const;
409
410     //! Set up internal flags that indicate what type of short-range work there is.
411     void setupGpuShortRangeWork(const gmx::GpuBonded* gpuBonded, gmx::InteractionLocality iLocality) const;
412
413     // TODO: Make all data members private
414     //! All data related to the pair lists
415     std::unique_ptr<PairlistSets> pairlistSets_;
416     //! Working data for constructing the pairlists
417     std::unique_ptr<PairSearch> pairSearch_;
418     //! Atom data
419     std::unique_ptr<nbnxn_atomdata_t> nbat;
420
421 private:
422     //! The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel
423     Nbnxm::KernelSetup kernelSetup_;
424     //! \brief Pointer to wallcycle structure.
425     gmx_wallcycle* wcycle_;
426
427 public:
428     //! GPU Nbnxm data, only used with a physical GPU (TODO: use unique_ptr)
429     NbnxmGpu* gpu_nbv;
430 };
431
432 namespace Nbnxm
433 {
434
435 /*! \brief Creates an Nbnxm object */
436 std::unique_ptr<nonbonded_verlet_t> init_nb_verlet(const gmx::MDLogger& mdlog,
437                                                    const t_inputrec&    inputrec,
438                                                    const t_forcerec&    forcerec,
439                                                    const t_commrec*     commrec,
440                                                    const gmx_hw_info_t& hardwareInfo,
441                                                    bool                 useGpuForNonbonded,
442                                                    const gmx::DeviceStreamManager* deviceStreamManager,
443                                                    const gmx_mtop_t&               mtop,
444                                                    matrix                          box,
445                                                    gmx_wallcycle*                  wcycle);
446
447 } // namespace Nbnxm
448
449 /*! \brief Put the atoms on the pair search grid.
450  *
451  * Only atoms with indices wihtin \p atomRange in x are put on the grid.
452  * When \p updateGroupsCog != nullptr, atoms are put on the grid
453  * based on the center of geometry of the group they belong to.
454  * Atoms or COGs of groups should be within the bounding box provided,
455  * this is checked in debug builds when not using update groups.
456  * The atom density is used to determine the grid size when \p gridIndex = 0.
457  * When \p atomDensity <= 0, the density is determined from atomEnd-atomStart
458  * and the bounding box corners.
459  * With domain decomposition, part of the atoms might have migrated,
460  * but have not been removed yet. This count is given by \p numAtomsMoved.
461  * When \p move[i] < 0 particle i has migrated and will not be put on the grid.
462  *
463  * \param[in,out] nb_verlet    The non-bonded object
464  * \param[in]     box          Box used for periodic distance calculations
465  * \param[in]     gridIndex    The index of the grid to spread to, always 0 except with test particle insertion
466  * \param[in]     lowerCorner  Atom groups to be gridded should have coordinates >= this corner
467  * \param[in]     upperCorner  Atom groups to be gridded should have coordinates <= this corner
468  * \param[in]     updateGroupsCog  Centers of geometry for update groups, pass nullptr when not using update groups
469  * \param[in]     atomRange    Range of atoms to grid
470  * \param[in]     atomDensity  An estimate of the atom density, used for peformance optimization and only with \p gridIndex = 0
471  * \param[in]     atomInfo     Atom information flags
472  * \param[in]     x            Coordinates for atoms to grid
473  * \param[in]     numAtomsMoved  The number of atoms that will move to another domain, pass 0 without DD
474  * \param[in]     move         Move flags for atoms, pass nullptr without DD
475  */
476 void nbnxn_put_on_grid(nonbonded_verlet_t*            nb_verlet,
477                        const matrix                   box,
478                        int                            gridIndex,
479                        const rvec                     lowerCorner,
480                        const rvec                     upperCorner,
481                        const gmx::UpdateGroupsCog*    updateGroupsCog,
482                        gmx::Range<int>                atomRange,
483                        real                           atomDensity,
484                        gmx::ArrayRef<const int>       atomInfo,
485                        gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
486                        int                            numAtomsMoved,
487                        const int*                     move);
488
489 /*! \brief As nbnxn_put_on_grid, but for the non-local atoms
490  *
491  * with domain decomposition. Should be called after calling
492  * nbnxn_search_put_on_grid for the local atoms / home zone.
493  */
494 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nonbonded_verlet_t*              nb_verlet,
495                                 const struct gmx_domdec_zones_t* zones,
496                                 gmx::ArrayRef<const int>         atomInfo,
497                                 gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>   x);
498
499 /*! \brief Check if GROMACS has been built with GPU support.
500  *
501  * \param[in] error Pointer to error string or nullptr.
502  * \todo Move this to NB module once it exists.
503  */
504 bool buildSupportsNonbondedOnGpu(std::string* error);
505
506 #endif // GMX_NBNXN_NBNXM_H