7ea59e4e5a063c7dfd598df4c546b01415f10df1
[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_mdatoms;
139 struct t_nrnb;
140 struct t_forcerec;
141 struct t_inputrec;
142
143 class GpuEventSynchronizer;
144
145 namespace gmx
146 {
147 class DeviceStreamManager;
148 class ForceWithShiftForces;
149 class GpuBonded;
150 template<typename>
151 class ListOfLists;
152 class MDLogger;
153 template<typename>
154 class Range;
155 class StepWorkload;
156 class UpdateGroupsCog;
157 } // namespace gmx
158
159 //! Namespace for non-bonded kernels
160 namespace Nbnxm
161 {
162 enum class KernelType;
163
164 /*! \brief Nbnxm electrostatic GPU kernel flavors.
165  *
166  *  Types of electrostatics implementations available in the GPU non-bonded
167  *  force kernels. These represent both the electrostatics types implemented
168  *  by the kernels (cut-off, RF, and Ewald - a subset of what's defined in
169  *  enums.h) as well as encode implementation details analytical/tabulated
170  *  and single or twin cut-off (for Ewald kernels).
171  *  Note that the cut-off and RF kernels have only analytical flavor and unlike
172  *  in the CPU kernels, the tabulated kernels are ATM Ewald-only.
173  *
174  *  The row-order of pointers to different electrostatic kernels defined in
175  *  nbnxn_cuda.cu by the nb_*_kfunc_ptr function pointer table
176  *  should match the order of enumerated types below.
177  */
178 enum class ElecType : int
179 {
180     Cut,          //!< Plain cut-off
181     RF,           //!< Reaction field
182     EwaldTab,     //!< Tabulated Ewald with single cut-off
183     EwaldTabTwin, //!< Tabulated Ewald with twin cut-off
184     EwaldAna,     //!< Analytical Ewald with single cut-off
185     EwaldAnaTwin, //!< Analytical Ewald with twin cut-off
186     Count         //!< Number of valid values
187 };
188
189 //! Number of possible \ref ElecType values.
190 constexpr int c_numElecTypes = static_cast<int>(ElecType::Count);
191
192 /*! \brief Nbnxm VdW GPU kernel flavors.
193  *
194  * The enumerates values correspond to the LJ implementations in the GPU non-bonded
195  * kernels.
196  *
197  * The column-order of pointers to different electrostatic kernels defined in
198  * nbnxn_cuda_ocl.cpp/.cu by the nb_*_kfunc_ptr function pointer table
199  * should match the order of enumerated types below.
200  */
201 enum class VdwType : int
202 {
203     Cut,         //!< Plain cut-off
204     CutCombGeom, //!< Cut-off with geometric combination rules
205     CutCombLB,   //!< Cut-off with Lorentz-Berthelot combination rules
206     FSwitch,     //!< Smooth force switch
207     PSwitch,     //!< Smooth potential switch
208     EwaldGeom,   //!< Ewald with geometric combination rules
209     EwaldLB,     //!< Ewald with Lorentz-Berthelot combination rules
210     Count        //!< Number of valid values
211 };
212
213 //! Number of possible \ref VdwType values.
214 constexpr int c_numVdwTypes = static_cast<int>(VdwType::Count);
215
216 /*! \brief Nonbonded NxN kernel types: plain C, CPU SIMD, GPU, GPU emulation */
217 enum class KernelType : int
218 {
219     NotSet = 0,
220     Cpu4x4_PlainC,
221     Cpu4xN_Simd_4xN,
222     Cpu4xN_Simd_2xNN,
223     Gpu8x8x8,
224     Cpu8x8x8_PlainC,
225     Count
226 };
227
228 /*! \brief Ewald exclusion types */
229 enum class EwaldExclusionType : int
230 {
231     NotSet = 0,
232     Table,
233     Analytical,
234     DecidedByGpuModule
235 };
236
237 /* \brief The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel */
238 struct KernelSetup
239 {
240     //! The non-bonded type, also affects the pairlist construction kernel
241     KernelType kernelType = KernelType::NotSet;
242     //! Ewald exclusion computation handling type, currently only used for CPU
243     EwaldExclusionType ewaldExclusionType = EwaldExclusionType::NotSet;
244 };
245
246 /*! \brief Return a string identifying the kernel type.
247  *
248  * \param [in] kernelType   nonbonded kernel type, takes values from the nbnxn_kernel_type enum
249  * \returns                 a string identifying the kernel corresponding to the type passed as argument
250  */
251 const char* lookup_kernel_name(Nbnxm::KernelType kernelType);
252
253 } // namespace Nbnxm
254
255 /*! \brief Flag to tell the nonbonded kernels whether to clear the force output buffers */
256 enum
257 {
258     enbvClearFNo,
259     enbvClearFYes
260 };
261
262 /*! \libinternal
263  *  \brief Top-level non-bonded data structure for the Verlet-type cut-off scheme. */
264 struct nonbonded_verlet_t
265 {
266 public:
267     //! Constructs an object from its components
268     nonbonded_verlet_t(std::unique_ptr<PairlistSets>     pairlistSets,
269                        std::unique_ptr<PairSearch>       pairSearch,
270                        std::unique_ptr<nbnxn_atomdata_t> nbat,
271                        const Nbnxm::KernelSetup&         kernelSetup,
272                        NbnxmGpu*                         gpu_nbv,
273                        gmx_wallcycle*                    wcycle);
274
275     ~nonbonded_verlet_t();
276
277     //! Returns whether a GPU is use for the non-bonded calculations
278     bool useGpu() const { return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Gpu8x8x8; }
279
280     //! Returns whether a GPU is emulated for the non-bonded calculations
281     bool emulateGpu() const
282     {
283         return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Cpu8x8x8_PlainC;
284     }
285
286     //! Return whether the pairlist is of simple, CPU type
287     bool pairlistIsSimple() const { return !useGpu() && !emulateGpu(); }
288
289
290     //! Returns the order of the local atoms on the grid
291     gmx::ArrayRef<const int> getLocalAtomOrder() const;
292
293     //! Sets the order of the local atoms to the order grid atom ordering
294     void setLocalAtomOrder() const;
295
296     //! Returns the index position of the atoms on the search grid
297     gmx::ArrayRef<const int> getGridIndices() const;
298
299     /*! \brief Constructs the pairlist for the given locality
300      *
301      * When there are no non-self exclusions, \p exclusions can be empty.
302      * Otherwise the number of lists in \p exclusions should match the number
303      * of atoms when not using DD, or the total number of atoms in the i-zones
304      * when using DD.
305      *
306      * \param[in] iLocality   The interaction locality: local or non-local
307      * \param[in] exclusions  Lists of exclusions for every atom.
308      * \param[in] step        Used to set the list creation step
309      * \param[in,out] nrnb    Flop accounting struct, can be nullptr
310      */
311     void constructPairlist(gmx::InteractionLocality     iLocality,
312                            const gmx::ListOfLists<int>& exclusions,
313                            int64_t                      step,
314                            t_nrnb*                      nrnb) const;
315
316     //! Updates all the atom properties in Nbnxm
317     void setAtomProperties(gmx::ArrayRef<const int>  atomTypes,
318                            gmx::ArrayRef<const real> atomCharges,
319                            gmx::ArrayRef<const int>  atomInfo) const;
320
321     /*!\brief Convert the coordinates to NBNXM format for the given locality.
322      *
323      * The API function for the transformation of the coordinates from one layout to another.
324      *
325      * \param[in] locality     Whether coordinates for local or non-local atoms should be
326      * transformed. \param[in] fillLocal    If the coordinates for filler particles should be
327      * zeroed. \param[in] coordinates  Coordinates in plain rvec format to be transformed.
328      */
329     void convertCoordinates(gmx::AtomLocality locality, bool fillLocal, gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> coordinates);
330
331     /*!\brief Convert the coordinates to NBNXM format on the GPU for the given locality
332      *
333      * The API function for the transformation of the coordinates from one layout to another in the GPU memory.
334      *
335      * \param[in] locality        Whether coordinates for local or non-local atoms should be transformed.
336      * \param[in] fillLocal       If the coordinates for filler particles should be zeroed.
337      * \param[in] d_x             GPU coordinates buffer in plain rvec format to be transformed.
338      * \param[in] xReadyOnDevice  Event synchronizer indicating that the coordinates are ready in the device memory.
339      */
340     void convertCoordinatesGpu(gmx::AtomLocality       locality,
341                                bool                    fillLocal,
342                                DeviceBuffer<gmx::RVec> d_x,
343                                GpuEventSynchronizer*   xReadyOnDevice);
344
345     //! Init for GPU version of setup coordinates in Nbnxm
346     void atomdata_init_copy_x_to_nbat_x_gpu() const;
347
348     //! Returns a reference to the pairlist sets
349     const PairlistSets& pairlistSets() const { return *pairlistSets_; }
350
351     //! Returns whether step is a dynamic list pruning step, for CPU lists
352     bool isDynamicPruningStepCpu(int64_t step) const;
353
354     //! Returns whether step is a dynamic list pruning step, for GPU lists
355     bool isDynamicPruningStepGpu(int64_t step) const;
356
357     //! Dispatches the dynamic pruning kernel for the given locality, for CPU lists
358     void dispatchPruneKernelCpu(gmx::InteractionLocality iLocality, const rvec* shift_vec) const;
359
360     //! Dispatches the dynamic pruning kernel for GPU lists
361     void dispatchPruneKernelGpu(int64_t step);
362
363     //! \brief Executes the non-bonded kernel of the GPU or launches it on the GPU
364     void dispatchNonbondedKernel(gmx::InteractionLocality   iLocality,
365                                  const interaction_const_t& ic,
366                                  const gmx::StepWorkload&   stepWork,
367                                  int                        clearF,
368                                  const t_forcerec&          fr,
369                                  gmx_enerdata_t*            enerd,
370                                  t_nrnb*                    nrnb);
371
372     //! Executes the non-bonded free-energy kernel, always runs on the CPU
373     void dispatchFreeEnergyKernel(gmx::InteractionLocality   iLocality,
374                                   const t_forcerec*          fr,
375                                   rvec                       x[],
376                                   gmx::ForceWithShiftForces* forceWithShiftForces,
377                                   const t_mdatoms&           mdatoms,
378                                   t_lambda*                  fepvals,
379                                   gmx::ArrayRef<const real>  lambda,
380                                   gmx_enerdata_t*            enerd,
381                                   const gmx::StepWorkload&   stepWork,
382                                   t_nrnb*                    nrnb);
383
384     /*! \brief Add the forces stored in nbat to f, zeros the forces in nbat
385      * \param [in] locality         Local or non-local
386      * \param [inout] force         Force to be added to
387      */
388     void atomdata_add_nbat_f_to_f(gmx::AtomLocality locality, gmx::ArrayRef<gmx::RVec> force);
389
390     /*! \brief Get the number of atoms for a given locality
391      *
392      * \param [in] locality   Local or non-local
393      * \returns               The number of atoms for given locality
394      */
395     int getNumAtoms(gmx::AtomLocality locality) const;
396
397     /*! \brief Get the pointer to the GPU nonbonded force buffer
398      *
399      * \returns A pointer to the force buffer in GPU memory
400      */
401     void* getGpuForces() const;
402
403     //! Return the kernel setup
404     const Nbnxm::KernelSetup& kernelSetup() const { return kernelSetup_; }
405
406     //! Returns the outer radius for the pair list
407     real pairlistInnerRadius() const;
408
409     //! Returns the outer radius for the pair list
410     real pairlistOuterRadius() const;
411
412     //! Changes the pair-list outer and inner radius
413     void changePairlistRadii(real rlistOuter, real rlistInner) const;
414
415     //! Set up internal flags that indicate what type of short-range work there is.
416     void setupGpuShortRangeWork(const gmx::GpuBonded* gpuBonded, gmx::InteractionLocality iLocality) const;
417
418     // TODO: Make all data members private
419     //! All data related to the pair lists
420     std::unique_ptr<PairlistSets> pairlistSets_;
421     //! Working data for constructing the pairlists
422     std::unique_ptr<PairSearch> pairSearch_;
423     //! Atom data
424     std::unique_ptr<nbnxn_atomdata_t> nbat;
425
426 private:
427     //! The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel
428     Nbnxm::KernelSetup kernelSetup_;
429     //! \brief Pointer to wallcycle structure.
430     gmx_wallcycle* wcycle_;
431
432 public:
433     //! GPU Nbnxm data, only used with a physical GPU (TODO: use unique_ptr)
434     NbnxmGpu* gpu_nbv;
435 };
436
437 namespace Nbnxm
438 {
439
440 /*! \brief Creates an Nbnxm object */
441 std::unique_ptr<nonbonded_verlet_t> init_nb_verlet(const gmx::MDLogger& mdlog,
442                                                    const t_inputrec&    inputrec,
443                                                    const t_forcerec&    forcerec,
444                                                    const t_commrec*     commrec,
445                                                    const gmx_hw_info_t& hardwareInfo,
446                                                    bool                 useGpuForNonbonded,
447                                                    const gmx::DeviceStreamManager* deviceStreamManager,
448                                                    const gmx_mtop_t&               mtop,
449                                                    matrix                          box,
450                                                    gmx_wallcycle*                  wcycle);
451
452 } // namespace Nbnxm
453
454 /*! \brief Put the atoms on the pair search grid.
455  *
456  * Only atoms with indices wihtin \p atomRange in x are put on the grid.
457  * When \p updateGroupsCog != nullptr, atoms are put on the grid
458  * based on the center of geometry of the group they belong to.
459  * Atoms or COGs of groups should be within the bounding box provided,
460  * this is checked in debug builds when not using update groups.
461  * The atom density is used to determine the grid size when \p gridIndex = 0.
462  * When \p atomDensity <= 0, the density is determined from atomEnd-atomStart
463  * and the bounding box corners.
464  * With domain decomposition, part of the atoms might have migrated,
465  * but have not been removed yet. This count is given by \p numAtomsMoved.
466  * When \p move[i] < 0 particle i has migrated and will not be put on the grid.
467  *
468  * \param[in,out] nb_verlet    The non-bonded object
469  * \param[in]     box          Box used for periodic distance calculations
470  * \param[in]     gridIndex    The index of the grid to spread to, always 0 except with test particle insertion
471  * \param[in]     lowerCorner  Atom groups to be gridded should have coordinates >= this corner
472  * \param[in]     upperCorner  Atom groups to be gridded should have coordinates <= this corner
473  * \param[in]     updateGroupsCog  Centers of geometry for update groups, pass nullptr when not using update groups
474  * \param[in]     atomRange    Range of atoms to grid
475  * \param[in]     atomDensity  An estimate of the atom density, used for peformance optimization and only with \p gridIndex = 0
476  * \param[in]     atomInfo     Atom information flags
477  * \param[in]     x            Coordinates for atoms to grid
478  * \param[in]     numAtomsMoved  The number of atoms that will move to another domain, pass 0 without DD
479  * \param[in]     move         Move flags for atoms, pass nullptr without DD
480  */
481 void nbnxn_put_on_grid(nonbonded_verlet_t*            nb_verlet,
482                        const matrix                   box,
483                        int                            gridIndex,
484                        const rvec                     lowerCorner,
485                        const rvec                     upperCorner,
486                        const gmx::UpdateGroupsCog*    updateGroupsCog,
487                        gmx::Range<int>                atomRange,
488                        real                           atomDensity,
489                        gmx::ArrayRef<const int>       atomInfo,
490                        gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> x,
491                        int                            numAtomsMoved,
492                        const int*                     move);
493
494 /*! \brief As nbnxn_put_on_grid, but for the non-local atoms
495  *
496  * with domain decomposition. Should be called after calling
497  * nbnxn_search_put_on_grid for the local atoms / home zone.
498  */
499 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nonbonded_verlet_t*              nb_verlet,
500                                 const struct gmx_domdec_zones_t* zones,
501                                 gmx::ArrayRef<const int>         atomInfo,
502                                 gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>   x);
503
504 #endif // GMX_NBNXN_NBNXM_H