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/utility/arrayref.h"
 105 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
 106 #include "gromacs/utility/real.h"
 107
 108 #include "locality.h"
 109
 110 // TODO: Remove this include and the two nbnxm includes above
 111 #include "nbnxm_gpu.h"
 112
 113 struct gmx_device_info_t;
 114 struct gmx_domdec_zones_t;
 115 struct gmx_enerdata_t;
 116 struct gmx_hw_info_t;
 117 struct gmx_mtop_t;
 118 struct gmx_wallcycle;
 119 struct interaction_const_t;
 120 struct nonbonded_verlet_t;
 121 class PairSearch;
 122 class PairlistSets;
 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 /*! \brief Switch for whether to use GPU for buffer ops*/
 132 enum class BufferOpsUseGpu
 133 {
 134     True,
 135     False
 136 };
 137
 138 class GpuEventSynchronizer;
 139
 140 namespace gmx
 141 {
 142 class MDLogger;
 143 class UpdateGroupsCog;
 144 }
 145
 146 namespace Nbnxm
 147 {
 148 enum class KernelType;
 149 }
 150
 151 namespace Nbnxm
 152 {
 153
 154 /*! \brief Nonbonded NxN kernel types: plain C, CPU SIMD, GPU, GPU emulation */
 155 enum class KernelType : int
 156 {
 157     NotSet = 0,
 158     Cpu4x4_PlainC,
 159     Cpu4xN_Simd_4xN,
 160     Cpu4xN_Simd_2xNN,
 161     Gpu8x8x8,
 162     Cpu8x8x8_PlainC,
 163     Count
 164 };
 165
 166 /*! \brief Ewald exclusion types */
 167 enum class EwaldExclusionType : int
 168 {
 169     NotSet = 0,
 170     Table,
 171     Analytical,
 172     DecidedByGpuModule
 173 };
 174
 175 /* \brief The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel */
 176 struct KernelSetup
 177 {
 178     //! The non-bonded type, also affects the pairlist construction kernel
 179     KernelType         kernelType = KernelType::NotSet;
 180     //! Ewald exclusion computation handling type, currently only used for CPU
 181     EwaldExclusionType ewaldExclusionType = EwaldExclusionType::NotSet;
 182 };
 183
 184 /*! \brief Return a string identifying the kernel type.
 185  *
 186  * \param [in] kernelType   nonbonded kernel type, takes values from the nbnxn_kernel_type enum
 187  * \returns                 a string identifying the kernel corresponding to the type passed as argument
 188  */
 189 const char *lookup_kernel_name(Nbnxm::KernelType kernelType);
 190
 191 } // namespace Nbnxm
 192
 193 /*! \brief Flag to tell the nonbonded kernels whether to clear the force output buffers */
 194 enum {
 195     enbvClearFNo, enbvClearFYes
 196 };
 197
 198 /*! \libinternal
 199  *  \brief Top-level non-bonded data structure for the Verlet-type cut-off scheme. */
 200 struct nonbonded_verlet_t
 201 {
 202     public:
 203         //! Constructs an object from its components
 204         nonbonded_verlet_t(std::unique_ptr<PairlistSets>      pairlistSets,
 205                            std::unique_ptr<PairSearch>        pairSearch,
 206                            std::unique_ptr<nbnxn_atomdata_t>  nbat,
 207                            const Nbnxm::KernelSetup          &kernelSetup,
 208                            gmx_nbnxn_gpu_t                   *gpu_nbv,
 209                            gmx_wallcycle                     *wcycle);
 210
 211         ~nonbonded_verlet_t();
 212
 213         //! Returns whether a GPU is use for the non-bonded calculations
 214         bool useGpu() const
 215         {
 216             return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Gpu8x8x8;
 217         }
 218
 219         //! Returns whether a GPU is emulated for the non-bonded calculations
 220         bool emulateGpu() const
 221         {
 222             return kernelSetup_.kernelType == Nbnxm::KernelType::Cpu8x8x8_PlainC;
 223         }
 224
 225         //! Return whether the pairlist is of simple, CPU type
 226         bool pairlistIsSimple() const
 227         {
 228             return !useGpu() && !emulateGpu();
 229         }
 230
 231         //! Initialize the pair list sets, TODO this should be private
 232         void initPairlistSets(bool haveMultipleDomains);
 233
 234         //! Returns the order of the local atoms on the grid
 235         gmx::ArrayRef<const int> getLocalAtomOrder() const;
 236
 237         //! Sets the order of the local atoms to the order grid atom ordering
 238         void setLocalAtomOrder();
 239
 240         //! Returns the index position of the atoms on the search grid
 241         gmx::ArrayRef<const int> getGridIndices() const;
 242
 243         //! Constructs the pairlist for the given locality
 244         void constructPairlist(Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 245                                const t_blocka             *excl,
 246                                int64_t                     step,
 247                                t_nrnb                     *nrnb);
 248
 249         //! Updates all the atom properties in Nbnxm
 250         void setAtomProperties(const t_mdatoms          &mdatoms,
 251                                gmx::ArrayRef<const int>  atomInfo);
 252
 253         //! Updates the coordinates in Nbnxm for the given locality
 254         void setCoordinates(Nbnxm::AtomLocality             locality,
 255                             bool                            fillLocal,
 256                             gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  x,
 257                             BufferOpsUseGpu                 useGpu,
 258                             void                           *xPmeDevicePtr);
 259
 260         //! Init for GPU version of setup coordinates in Nbnxm
 261         void atomdata_init_copy_x_to_nbat_x_gpu();
 262
 263         //! Sync the nonlocal GPU stream with dependent tasks in the local queue.
 264         void insertNonlocalGpuDependency(Nbnxm::InteractionLocality interactionLocality);
 265
 266         //! Returns a reference to the pairlist sets
 267         const PairlistSets &pairlistSets() const
 268         {
 269             return *pairlistSets_;
 270         }
 271
 272         //! Returns whether step is a dynamic list pruning step, for CPU lists
 273         bool isDynamicPruningStepCpu(int64_t step) const;
 274
 275         //! Returns whether step is a dynamic list pruning step, for GPU lists
 276         bool isDynamicPruningStepGpu(int64_t step) const;
 277
 278         //! Dispatches the dynamic pruning kernel for the given locality, for CPU lists
 279         void dispatchPruneKernelCpu(Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 280                                     const rvec                 *shift_vec);
 281
 282         //! Dispatches the dynamic pruning kernel for GPU lists
 283         void dispatchPruneKernelGpu(int64_t step);
 284
 285         //! \brief Executes the non-bonded kernel of the GPU or launches it on the GPU
 286         void dispatchNonbondedKernel(Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 287                                      const interaction_const_t  &ic,
 288                                      int                         forceFlags,
 289                                      int                         clearF,
 290                                      const t_forcerec           &fr,
 291                                      gmx_enerdata_t             *enerd,
 292                                      t_nrnb                     *nrnb);
 293
 294         //! Executes the non-bonded free-energy kernel, always runs on the CPU
 295         void dispatchFreeEnergyKernel(Nbnxm::InteractionLocality  iLocality,
 296                                       t_forcerec                 *fr,
 297                                       rvec                        x[],
 298                                       rvec                        f[],
 299                                       const t_mdatoms            &mdatoms,
 300                                       t_lambda                   *fepvals,
 301                                       real                       *lambda,
 302                                       gmx_enerdata_t             *enerd,
 303                                       int                         forceFlags,
 304                                       t_nrnb                     *nrnb);
 305
 306         /*! \brief Add the forces stored in nbat to f, zeros the forces in nbat
 307          * \param [in] locality         Local or non-local
 308          * \param [inout] f             Force to be added to
 309          */
 310         void atomdata_add_nbat_f_to_f(Nbnxm::AtomLocality                 locality,
 311                                       rvec                               *f);
 312
 313         /*! \brief Add the forces stored in nbat to f, allowing for possibility that GPU buffer ops are active
 314          * \param [in] locality         Local or non-local
 315          * \param [inout] f             Force to be added to
 316          * \param [in] fPme             Force from PME calculation
 317          * \param [in] pmeForcesReady   Event triggered when PME force calculation has completed
 318          * \param [in] useGpu           Whether GPU buffer ops are active
 319          * \param [in] useGpuFPmeReduction   Whether PME force reduction is on GPU
 320          * \param [in] accumulateForce  Whether force should be accumulated or stored
 321          */
 322         void atomdata_add_nbat_f_to_f(Nbnxm::AtomLocality                 locality,
 323                                       rvec                               *f,
 324                                       void                               *fPme,
 325                                       GpuEventSynchronizer               *pmeForcesReady,
 326                                       BufferOpsUseGpu                     useGpu,
 327                                       bool                                useGpuFPmeReduction,
 328                                       bool                                accumulateForce);
 329
 330         /*! \brief Outer body of function to perform initialization for F buffer operations on GPU. */
 331         void atomdata_init_add_nbat_f_to_f_gpu();
 332
 333         /*! \brief H2D transfer of force buffer*/
 334         void launch_copy_f_to_gpu(rvec *f, Nbnxm::AtomLocality locality);
 335
 336         /*! \brief D2H transfer of force buffer*/
 337         void launch_copy_f_from_gpu(rvec *f, Nbnxm::AtomLocality locality);
 338
 339         /*! \brief Wait for GPU force reduction task and D2H transfer of its results to complete
 340          *
 341          * FIXME: need more details: when should be called / after which operation, etc.
 342          */
 343         void wait_for_gpu_force_reduction(Nbnxm::AtomLocality locality);
 344
 345         //! Return the kernel setup
 346         const Nbnxm::KernelSetup &kernelSetup() const
 347         {
 348             return kernelSetup_;
 349         }
 350
 351         //! Returns the outer radius for the pair list
 352         real pairlistInnerRadius() const;
 353
 354         //! Returns the outer radius for the pair list
 355         real pairlistOuterRadius() const;
 356
 357         //! Changes the pair-list outer and inner radius
 358         void changePairlistRadii(real rlistOuter,
 359                                  real rlistInner);
 360
 361         //! Set up internal flags that indicate what type of short-range work there is.
 362         void setupGpuShortRangeWork(const gmx::GpuBonded             *gpuBonded,
 363                                     const Nbnxm::InteractionLocality  iLocality)
 364         {
 365             if (useGpu() && !emulateGpu())
 366             {
 367                 Nbnxm::setupGpuShortRangeWork(gpu_nbv, gpuBonded, iLocality);
 368             }
 369         }
 370
 371         //! Returns true if there is GPU short-range work for the given atom locality.
 372         bool haveGpuShortRangeWork(const Nbnxm::AtomLocality aLocality)
 373         {
 374             return ((useGpu() && !emulateGpu()) &&
 375                     Nbnxm::haveGpuShortRangeWork(gpu_nbv, aLocality));
 376         }
 377
 378         // TODO: Make all data members private
 379     public:
 380         //! All data related to the pair lists
 381         std::unique_ptr<PairlistSets>     pairlistSets_;
 382         //! Working data for constructing the pairlists
 383         std::unique_ptr<PairSearch>       pairSearch_;
 384         //! Atom data
 385         std::unique_ptr<nbnxn_atomdata_t> nbat;
 386     private:
 387         //! The non-bonded setup, also affects the pairlist construction kernel
 388         Nbnxm::KernelSetup                kernelSetup_;
 389         //! \brief Pointer to wallcycle structure.
 390         gmx_wallcycle                    *wcycle_;
 391     public:
 392         //! GPU Nbnxm data, only used with a physical GPU (TODO: use unique_ptr)
 393         gmx_nbnxn_gpu_t                  *gpu_nbv;
 394 };
 395
 396 namespace Nbnxm
 397 {
 398
 399 /*! \brief Creates an Nbnxm object */
 400 std::unique_ptr<nonbonded_verlet_t>
 401 init_nb_verlet(const gmx::MDLogger     &mdlog,
 402                gmx_bool                 bFEP_NonBonded,
 403                const t_inputrec        *ir,
 404                const t_forcerec        *fr,
 405                const t_commrec         *cr,
 406                const gmx_hw_info_t     &hardwareInfo,
 407                const gmx_device_info_t *deviceInfo,
 408                const gmx_mtop_t        *mtop,
 409                matrix                   box,
 410                gmx_wallcycle           *wcycle);
 411
 412 } // namespace Nbnxm
 413
 414 /*! \brief Put the atoms on the pair search grid.
 415  *
 416  * Only atoms atomStart to atomEnd in x are put on the grid.
 417  * The atom_density is used to determine the grid size.
 418  * When atomDensity<=0, the density is determined from atomEnd-atomStart and the corners.
 419  * With domain decomposition part of the n particles might have migrated,
 420  * but have not been removed yet. This count is given by nmoved.
 421  * When move[i] < 0 particle i has migrated and will not be put on the grid.
 422  * Without domain decomposition move will be NULL.
 423  */
 424 void nbnxn_put_on_grid(nonbonded_verlet_t             *nb_verlet,
 425                        const matrix                    box,
 426                        int                             ddZone,
 427                        const rvec                      lowerCorner,
 428                        const rvec                      upperCorner,
 429                        const gmx::UpdateGroupsCog     *updateGroupsCog,
 430                        int                             atomStart,
 431                        int                             atomEnd,
 432                        real                            atomDensity,
 433                        gmx::ArrayRef<const int>        atomInfo,
 434                        gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  x,
 435                        int                             numAtomsMoved,
 436                        const int                      *move);
 437
 438 /*! \brief As nbnxn_put_on_grid, but for the non-local atoms
 439  *
 440  * with domain decomposition. Should be called after calling
 441  * nbnxn_search_put_on_grid for the local atoms / home zone.
 442  */
 443 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nonbonded_verlet_t              *nb_verlet,
 444                                 const struct gmx_domdec_zones_t *zones,
 445                                 gmx::ArrayRef<const int>         atomInfo,
 446                                 gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>   x);
 447
 448 #endif // GMX_NBNXN_NBNXM_H