src/gromacs/nbnxm/nbnxm_gpu.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 /*! \libinternal \file
  36  *  \brief Declare interface for GPU execution for NBNXN module
  37  *
  38  *  \author Szilard Pall <pall.szilard@gmail.com>
  39  *  \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  40  *  \ingroup module_nbnxm
  41  */
  42
  43 #ifndef GMX_NBNXM_NBNXM_GPU_H
  44 #define GMX_NBNXM_NBNXM_GPU_H
  45
  46 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_macros.h"
  47 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  48 #include "gromacs/nbnxm/atomdata.h"
  49 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  50 #include "gromacs/utility/real.h"
  51
  52 #include "gpu_types.h"
  53 #include "locality.h"
  54
  55 struct nbnxn_atomdata_t;
  56 enum class GpuTaskCompletion;
  57 enum class GpuBufferOpsAccumulateForce;
  58
  59 namespace gmx
  60 {
  61 class GpuBonded;
  62 }
  63
  64 namespace Nbnxm
  65 {
  66
  67 class Grid;
  68
  69 /*! \brief
  70  * Launch asynchronously the xq buffer host to device copy.
  71  *
  72  * The nonlocal copy is skipped if there is no dependent work to do,
  73  * neither non-local nonbonded interactions nor bonded GPU work.
  74  *
  75  * \param [in]    nb        GPU nonbonded data.
  76  * \param [in]    nbdata    Host-side atom data structure.
  77  * \param [in]    aloc      Atom locality flag.
  78  */
  79 GPU_FUNC_QUALIFIER
  80 void gpu_copy_xq_to_gpu(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused               *nb,
  81                         const struct nbnxn_atomdata_t gmx_unused *nbdata,
  82                         AtomLocality gmx_unused                   aloc) GPU_FUNC_TERM;
  83
  84 /*! \brief
  85  * Launch asynchronously the nonbonded force calculations.
  86  *
  87  *  Also launches the initial pruning of a fresh list after search.
  88  *
  89  *  The local and non-local interaction calculations are launched in two
  90  *  separate streams. If there is no work (i.e. empty pair list), the
  91  *  force kernel launch is omitted.
  92  *
  93  */
  94 GPU_FUNC_QUALIFIER
  95 void gpu_launch_kernel(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused     *nb,
  96                        int gmx_unused                  flags,
  97                        InteractionLocality gmx_unused  iloc) GPU_FUNC_TERM;
  98
  99 /*! \brief
 100  * Launch asynchronously the nonbonded prune-only kernel.
 101  *
 102  *  The local and non-local list pruning are launched in their separate streams.
 103  *
 104  *  Notes for future scheduling tuning:
 105  *  Currently we schedule the dynamic pruning between two MD steps *after* both local and
 106  *  nonlocal force D2H transfers completed. We could launch already after the cpyback
 107  *  is launched, but we want to avoid prune kernels (especially in the non-local
 108  *  high prio-stream) competing with nonbonded work.
 109  *
 110  *  However, this is not ideal as this schedule does not expose the available
 111  *  concurrency. The dynamic pruning kernel:
 112  *    - should be allowed to overlap with any task other than force compute, including
 113  *      transfers (F D2H and the next step's x H2D as well as force clearing).
 114  *    - we'd prefer to avoid competition with non-bonded force kernels belonging
 115  *      to the same rank and ideally other ranks too.
 116  *
 117  *  In the most general case, the former would require scheduling pruning in a separate
 118  *  stream and adding additional event sync points to ensure that force kernels read
 119  *  consistent pair list data. This would lead to some overhead (due to extra
 120  *  cudaStreamWaitEvent calls, 3-5 us/call) which we might be able to live with.
 121  *  The gains from additional overlap might not be significant as long as
 122  *  update+constraints anyway takes longer than pruning, but there will still
 123  *  be use-cases where more overlap may help (e.g. multiple ranks per GPU,
 124  *  no/hbonds only constraints).
 125  *  The above second point is harder to address given that multiple ranks will often
 126  *  share a GPU. Ranks that complete their nonbondeds sooner can schedule pruning earlier
 127  *  and without a third priority level it is difficult to avoid some interference of
 128  *  prune kernels with force tasks (in particular preemption of low-prio local force task).
 129  *
 130  * \param [inout] nb        GPU nonbonded data.
 131  * \param [in]    iloc      Interaction locality flag.
 132  * \param [in]    numParts  Number of parts the pair list is split into in the rolling kernel.
 133  */
 134 GPU_FUNC_QUALIFIER
 135 void gpu_launch_kernel_pruneonly(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused     *nb,
 136                                  InteractionLocality gmx_unused  iloc,
 137                                  int gmx_unused                  numParts) GPU_FUNC_TERM;
 138
 139 /*! \brief
 140  * Launch asynchronously the download of short-range forces from the GPU
 141  * (and energies/shift forces if required).
 142  */
 143 GPU_FUNC_QUALIFIER
 144 void gpu_launch_cpyback(gmx_nbnxn_gpu_t  gmx_unused *nb,
 145                         nbnxn_atomdata_t gmx_unused *nbatom,
 146                         int              gmx_unused  flags,
 147                         AtomLocality     gmx_unused  aloc,
 148                         const bool       gmx_unused  copyBackNbForce) GPU_FUNC_TERM;
 149
 150 /*! \brief Attempts to complete nonbonded GPU task.
 151  *
 152  *  This function attempts to complete the nonbonded task (both GPU and CPU auxiliary work).
 153  *  Success, i.e. that the tasks completed and results are ready to be consumed, is signaled
 154  *  by the return value (always true if blocking wait mode requested).
 155  *
 156  *  The \p completionKind parameter controls whether the behavior is non-blocking
 157  *  (achieved by passing GpuTaskCompletion::Check) or blocking wait until the results
 158  *  are ready (when GpuTaskCompletion::Wait is passed).
 159  *  As the "Check" mode the function will return immediately if the GPU stream
 160  *  still contain tasks that have not completed, it allows more flexible overlapping
 161  *  of work on the CPU with GPU execution.
 162  *
 163  *  Note that it is only safe to use the results, and to continue to the next MD
 164  *  step when this function has returned true which indicates successful completion of
 165  *  - All nonbonded GPU tasks: both compute and device transfer(s)
 166  *  - auxiliary tasks: updating the internal module state (timing accumulation, list pruning states) and
 167  *  - internal staging reduction of (\p fshift, \p e_el, \p e_lj).
 168  *
 169  *  TODO: improve the handling of outputs e.g. by ensuring that this function explcitly returns the
 170  *  force buffer (instead of that being passed only to nbnxn_gpu_launch_cpyback()) and by returning
 171  *  the energy and Fshift contributions for some external/centralized reduction.
 172  *
 173  * \param[in]  nb     The nonbonded data GPU structure
 174  * \param[in]  flags  Force flags
 175  * \param[in]  aloc   Atom locality identifier
 176  * \param[out] e_lj   Pointer to the LJ energy output to accumulate into
 177  * \param[out] e_el   Pointer to the electrostatics energy output to accumulate into
 178  * \param[out] fshift Pointer to the shift force buffer to accumulate into
 179  * \param[in]  completionKind Indicates whether nnbonded task completion should only be checked rather than waited for
 180  * \returns              True if the nonbonded tasks associated with \p aloc locality have completed
 181  */
 182 GPU_FUNC_QUALIFIER
 183 bool gpu_try_finish_task(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused  *nb,
 184                          int             gmx_unused   flags,
 185                          AtomLocality    gmx_unused   aloc,
 186                          real            gmx_unused  *e_lj,
 187                          real            gmx_unused  *e_el,
 188                          rvec            gmx_unused  *fshift,
 189                          GpuTaskCompletion gmx_unused completionKind) GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(false);
 190
 191 /*! \brief  Completes the nonbonded GPU task blocking until GPU tasks and data
 192  * transfers to finish.
 193  *
 194  * Also does timing accounting and reduction of the internal staging buffers.
 195  * As this is called at the end of the step, it also resets the pair list and
 196  * pruning flags.
 197  *
 198  * \param[in] nb The nonbonded data GPU structure
 199  * \param[in] flags Force flags
 200  * \param[in] aloc Atom locality identifier
 201  * \param[out] e_lj Pointer to the LJ energy output to accumulate into
 202  * \param[out] e_el Pointer to the electrostatics energy output to accumulate into
 203  * \param[out] fshift Pointer to the shift force buffer to accumulate into
 204  */
 205 GPU_FUNC_QUALIFIER
 206 void gpu_wait_finish_task(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused *nb,
 207                           int             gmx_unused  flags,
 208                           AtomLocality    gmx_unused  aloc,
 209                           real            gmx_unused *e_lj,
 210                           real            gmx_unused *e_el,
 211                           rvec            gmx_unused *fshift) GPU_FUNC_TERM;
 212
 213 /*! \brief Selects the Ewald kernel type, analytical or tabulated, single or twin cut-off. */
 214 GPU_FUNC_QUALIFIER
 215 int gpu_pick_ewald_kernel_type(bool gmx_unused bTwinCut) GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(-1);
 216
 217 /*! \brief Initialization for X buffer operations on GPU.
 218  * Called on the NS step and performs (re-)allocations and memory copies. !*/
 219 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 220 void nbnxn_gpu_init_x_to_nbat_x(const Nbnxm::GridSet gmx_unused &gridSet,
 221                                 gmx_nbnxn_gpu_t    gmx_unused *gpu_nbv) CUDA_FUNC_TERM;
 222
 223 /*! \brief X buffer operations on GPU: performs conversion from rvec to nb format.
 224  */
 225 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 226 void nbnxn_gpu_x_to_nbat_x(const Nbnxm::Grid  gmx_unused &grid,
 227                            bool               gmx_unused  setFillerCoords,
 228                            gmx_nbnxn_gpu_t    gmx_unused *gpu_nbv,
 229                            void               gmx_unused *xPmeDevicePtr,
 230                            Nbnxm::AtomLocality gmx_unused locality,
 231                            const rvec         gmx_unused *x,
 232                            int                gmx_unused  gridId,
 233                            int                gmx_unused  numColumnsMax) CUDA_FUNC_TERM;
 234
 235 /*! \brief Sync the nonlocal stream with dependent tasks in the local queue.
 236  * \param[in] nb                   The nonbonded data GPU structure
 237  * \param[in] interactionLocality  Local or NonLocal sync point
 238  */
 239 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 240 void nbnxnInsertNonlocalGpuDependency(const gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused    *nb,
 241                                       const InteractionLocality gmx_unused interactionLocality) CUDA_FUNC_TERM;
 242
 243 /*! \brief Set up internal flags that indicate what type of short-range work there is.
 244  *
 245  * As nonbondeds and bondeds share input/output buffers and GPU queues,
 246  * both are considered when checking for work in the current domain.
 247  *
 248  * This function is expected to be called every time the work-distribution
 249  * can change (i.e. at search/domain decomposition steps).
 250  *
 251  * \param[inout]  nb         Pointer to the nonbonded GPU data structure
 252  * \param[in]     gpuBonded  Pointer to the GPU bonded data structure
 253  * \param[in]     iLocality  Interaction locality identifier
 254  */
 255 GPU_FUNC_QUALIFIER
 256 void setupGpuShortRangeWork(gmx_nbnxn_gpu_t                  gmx_unused *nb,
 257                             const gmx::GpuBonded             gmx_unused *gpuBonded,
 258                             const Nbnxm::InteractionLocality gmx_unused  iLocality) GPU_FUNC_TERM;
 259
 260 /*! \brief Returns true if there is GPU short-range work for the given atom locality.
 261  *
 262  * Note that as, unlike nonbonded tasks, bonded tasks are not split into local/nonlocal,
 263  * and therefore if there are GPU offloaded bonded interactions, this function will return
 264  * true for both local and nonlocal atom range.
 265  *
 266  * \param[inout]  nb        Pointer to the nonbonded GPU data structure
 267  * \param[in]     aLocality Atom locality identifier
 268  */
 269 GPU_FUNC_QUALIFIER
 270 bool haveGpuShortRangeWork(const gmx_nbnxn_gpu_t     gmx_unused *nb,
 271                            const Nbnxm::AtomLocality gmx_unused  aLocality) GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(false);
 272
 273 /*! \brief Initialization for F buffer operations on GPU */
 274 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 275 void nbnxn_gpu_init_add_nbat_f_to_f(const int               gmx_unused *cell,
 276                                     gmx_nbnxn_gpu_t         gmx_unused *gpu_nbv,
 277                                     int                     gmx_unused  natoms_total) CUDA_FUNC_TERM;
 278
 279 /*! \brief F buffer operations on GPU: adds nb format force to rvec format. */
 280 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 281 void nbnxn_gpu_add_nbat_f_to_f(const AtomLocality           gmx_unused  atomLocality,
 282                                gmx_nbnxn_gpu_t              gmx_unused *gpu_nbv,
 283                                int                          gmx_unused  atomStart,
 284                                int                          gmx_unused  nAtoms,
 285                                GpuBufferOpsAccumulateForce     gmx_unused  accumulateForce) CUDA_FUNC_TERM;
 286
 287 /*! \brief Copy force buffer from CPU to GPU */
 288 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 289 void nbnxn_launch_copy_f_to_gpu(const AtomLocality      gmx_unused  atomLocality,
 290                                 const Nbnxm::GridSet    gmx_unused &gridSet,
 291                                 gmx_nbnxn_gpu_t         gmx_unused *nb,
 292                                 rvec                    gmx_unused *f) CUDA_FUNC_TERM;
 293
 294 /*! \brief Copy force buffer from GPU to CPU */
 295 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 296 void nbnxn_launch_copy_f_from_gpu(const AtomLocality      gmx_unused  atomLocality,
 297                                   const Nbnxm::GridSet    gmx_unused &gridSet,
 298                                   gmx_nbnxn_gpu_t         gmx_unused *nb,
 299                                   rvec                    gmx_unused *f) CUDA_FUNC_TERM;
 300
 301 /*! \brief Wait for GPU stream to complete */
 302 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 303 void nbnxn_wait_for_gpu_force_reduction(const AtomLocality      gmx_unused  atomLocality,
 304                                         gmx_nbnxn_gpu_t         gmx_unused *nb) CUDA_FUNC_TERM;
 305
 306
 307 }     // namespace Nbnxm
 308
 309 #endif