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/utility/basedefinitions.h"
  49 #include "gromacs/utility/real.h"
  50
  51 #include "atomdata.h"
  52 #include "gpu_types.h"
  53 #include "locality.h"
  54
  55 struct interaction_const_t;
  56 struct nbnxn_atomdata_t;
  57 struct gmx_wallcycle;
  58 enum class GpuTaskCompletion;
  59
  60 namespace gmx
  61 {
  62 class GpuBonded;
  63 class StepWorkload;
  64 }
  65
  66 namespace Nbnxm
  67 {
  68
  69 class Grid;
  70
  71 /*! \brief
  72  * Launch asynchronously the xq buffer host to device copy.
  73  *
  74  * The nonlocal copy is skipped if there is no dependent work to do,
  75  * neither non-local nonbonded interactions nor bonded GPU work.
  76  *
  77  * \param [in]    nb        GPU nonbonded data.
  78  * \param [in]    nbdata    Host-side atom data structure.
  79  * \param [in]    aloc      Atom locality flag.
  80  */
  81 GPU_FUNC_QUALIFIER
  82 void gpu_copy_xq_to_gpu(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused               *nb,
  83                         const struct nbnxn_atomdata_t gmx_unused *nbdata,
  84                         AtomLocality gmx_unused                   aloc) GPU_FUNC_TERM;
  85
  86 /*! \brief
  87  * Launch asynchronously the nonbonded force calculations.
  88  *
  89  *  Also launches the initial pruning of a fresh list after search.
  90  *
  91  *  The local and non-local interaction calculations are launched in two
  92  *  separate streams. If there is no work (i.e. empty pair list), the
  93  *  force kernel launch is omitted.
  94  *
  95  */
  96 GPU_FUNC_QUALIFIER
  97 void gpu_launch_kernel(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused         *nb,
  98                        const gmx::StepWorkload gmx_unused &stepWork,
  99                        InteractionLocality gmx_unused      iloc) GPU_FUNC_TERM;
 100
 101 /*! \brief
 102  * Launch asynchronously the nonbonded prune-only kernel.
 103  *
 104  *  The local and non-local list pruning are launched in their separate streams.
 105  *
 106  *  Notes for future scheduling tuning:
 107  *  Currently we schedule the dynamic pruning between two MD steps *after* both local and
 108  *  nonlocal force D2H transfers completed. We could launch already after the cpyback
 109  *  is launched, but we want to avoid prune kernels (especially in the non-local
 110  *  high prio-stream) competing with nonbonded work.
 111  *
 112  *  However, this is not ideal as this schedule does not expose the available
 113  *  concurrency. The dynamic pruning kernel:
 114  *    - should be allowed to overlap with any task other than force compute, including
 115  *      transfers (F D2H and the next step's x H2D as well as force clearing).
 116  *    - we'd prefer to avoid competition with non-bonded force kernels belonging
 117  *      to the same rank and ideally other ranks too.
 118  *
 119  *  In the most general case, the former would require scheduling pruning in a separate
 120  *  stream and adding additional event sync points to ensure that force kernels read
 121  *  consistent pair list data. This would lead to some overhead (due to extra
 122  *  cudaStreamWaitEvent calls, 3-5 us/call) which we might be able to live with.
 123  *  The gains from additional overlap might not be significant as long as
 124  *  update+constraints anyway takes longer than pruning, but there will still
 125  *  be use-cases where more overlap may help (e.g. multiple ranks per GPU,
 126  *  no/hbonds only constraints).
 127  *  The above second point is harder to address given that multiple ranks will often
 128  *  share a GPU. Ranks that complete their nonbondeds sooner can schedule pruning earlier
 129  *  and without a third priority level it is difficult to avoid some interference of
 130  *  prune kernels with force tasks (in particular preemption of low-prio local force task).
 131  *
 132  * \param [inout] nb        GPU nonbonded data.
 133  * \param [in]    iloc      Interaction locality flag.
 134  * \param [in]    numParts  Number of parts the pair list is split into in the rolling kernel.
 135  */
 136 GPU_FUNC_QUALIFIER
 137 void gpu_launch_kernel_pruneonly(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused     *nb,
 138                                  InteractionLocality gmx_unused  iloc,
 139                                  int gmx_unused                  numParts) GPU_FUNC_TERM;
 140
 141 /*! \brief
 142  * Launch asynchronously the download of short-range forces from the GPU
 143  * (and energies/shift forces if required).
 144  */
 145 GPU_FUNC_QUALIFIER
 146 void gpu_launch_cpyback(gmx_nbnxn_gpu_t         gmx_unused *nb,
 147                         nbnxn_atomdata_t        gmx_unused *nbatom,
 148                         const gmx::StepWorkload gmx_unused &stepWork,
 149                         AtomLocality            gmx_unused aloc) GPU_FUNC_TERM;
 150
 151 /*! \brief Attempts to complete nonbonded GPU task.
 152  *
 153  *  This function attempts to complete the nonbonded task (both GPU and CPU auxiliary work).
 154  *  Success, i.e. that the tasks completed and results are ready to be consumed, is signaled
 155  *  by the return value (always true if blocking wait mode requested).
 156  *
 157  *  The \p completionKind parameter controls whether the behavior is non-blocking
 158  *  (achieved by passing GpuTaskCompletion::Check) or blocking wait until the results
 159  *  are ready (when GpuTaskCompletion::Wait is passed).
 160  *  As the "Check" mode the function will return immediately if the GPU stream
 161  *  still contain tasks that have not completed, it allows more flexible overlapping
 162  *  of work on the CPU with GPU execution.
 163  *
 164  *  Note that it is only safe to use the results, and to continue to the next MD
 165  *  step when this function has returned true which indicates successful completion of
 166  *  - All nonbonded GPU tasks: both compute and device transfer(s)
 167  *  - auxiliary tasks: updating the internal module state (timing accumulation, list pruning states) and
 168  *  - internal staging reduction of (\p fshift, \p e_el, \p e_lj).
 169  *
 170  * In GpuTaskCompletion::Check mode this function does the timing and keeps correct count
 171  * for the nonbonded task (incrementing only once per taks), in the GpuTaskCompletion::Wait mode
 172  * timing is expected to be done in the caller.
 173  *
 174  *  TODO: improve the handling of outputs e.g. by ensuring that this function explcitly returns the
 175  *  force buffer (instead of that being passed only to nbnxn_gpu_launch_cpyback()) and by returning
 176  *  the energy and Fshift contributions for some external/centralized reduction.
 177  *
 178  * \param[in]  nb             The nonbonded data GPU structure
 179  * \param[in]  stepWork       Step schedule flags
 180  * \param[in]  aloc           Atom locality identifier
 181  * \param[out] e_lj           Pointer to the LJ energy output to accumulate into
 182  * \param[out] e_el           Pointer to the electrostatics energy output to accumulate into
 183  * \param[out] shiftForces    Shift forces buffer to accumulate into
 184  * \param[in]  completionKind Indicates whether nnbonded task completion should only be checked rather than waited for
 185  * \param[out] wcycle         Pointer to wallcycle data structure
 186  * \returns                   True if the nonbonded tasks associated with \p aloc locality have completed
 187  */
 188 GPU_FUNC_QUALIFIER
 189 bool gpu_try_finish_task(gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused          *nb,
 190                          const gmx::StepWorkload gmx_unused  &stepWork,
 191                          AtomLocality    gmx_unused           aloc,
 192                          real            gmx_unused          *e_lj,
 193                          real            gmx_unused          *e_el,
 194                          gmx::ArrayRef<gmx::RVec> gmx_unused  shiftForces,
 195                          GpuTaskCompletion gmx_unused         completionKind,
 196                          gmx_wallcycle    gmx_unused         *wcycle) GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(false);
 197
 198 /*! \brief  Completes the nonbonded GPU task blocking until GPU tasks and data
 199  * transfers to finish.
 200  *
 201  * Also does timing accounting and reduction of the internal staging buffers.
 202  * As this is called at the end of the step, it also resets the pair list and
 203  * pruning flags.
 204  *
 205  * \param[in] nb The nonbonded data GPU structure
 206  * \param[in]  stepWork        Step schedule flags
 207  * \param[in] aloc Atom locality identifier
 208  * \param[out] e_lj Pointer to the LJ energy output to accumulate into
 209  * \param[out] e_el Pointer to the electrostatics energy output to accumulate into
 210  * \param[out] shiftForces Shift forces buffer to accumulate into
 211  */
 212 GPU_FUNC_QUALIFIER
 213 float gpu_wait_finish_task(gmx_nbnxn_gpu_t          gmx_unused *nb,
 214                            const gmx::StepWorkload  gmx_unused &stepWork,
 215                            AtomLocality             gmx_unused  aloc,
 216                            real                     gmx_unused *e_lj,
 217                            real                     gmx_unused *e_el,
 218                            gmx::ArrayRef<gmx::RVec> gmx_unused  shiftForces,
 219                            gmx_wallcycle            gmx_unused  *wcycle) GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(0.0);
 220
 221 /*! \brief Selects the Ewald kernel type, analytical or tabulated, single or twin cut-off. */
 222 GPU_FUNC_QUALIFIER
 223 int nbnxn_gpu_pick_ewald_kernel_type(const interaction_const_t gmx_unused &ic) GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(-1);
 224
 225 /*! \brief Initialization for X buffer operations on GPU.
 226  * Called on the NS step and performs (re-)allocations and memory copies. !*/
 227 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 228 void nbnxn_gpu_init_x_to_nbat_x(const Nbnxm::GridSet gmx_unused &gridSet,
 229                                 gmx_nbnxn_gpu_t    gmx_unused *gpu_nbv) CUDA_FUNC_TERM;
 230
 231 /*! \brief X buffer operations on GPU: performs conversion from rvec to nb format.
 232  *
 233  * \param[in]     grid             Grid to be converted.
 234  * \param[in]     setFillerCoords  If the filler coordinates are used.
 235  * \param[in,out] gpu_nbv          The nonbonded data GPU structure.
 236  * \param[in]     d_x              Device-side coordinates in plain rvec format.
 237  * \param[in]     xReadyOnDevice   Event synchronizer indicating that the coordinates are ready in the device memory.
 238  * \param[in]     locality         Copy coordinates for local or non-local atoms.
 239  * \param[in]     gridId           Index of the grid being converted.
 240  * \param[in]     numColumnsMax    Maximum number of columns in the grid.
 241  */
 242 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 243 void nbnxn_gpu_x_to_nbat_x(const Nbnxm::Grid    gmx_unused &grid,
 244                            bool                 gmx_unused  setFillerCoords,
 245                            gmx_nbnxn_gpu_t      gmx_unused *gpu_nbv,
 246                            DeviceBuffer<float>  gmx_unused  d_x,
 247                            GpuEventSynchronizer gmx_unused *xReadyOnDevice,
 248                            Nbnxm::AtomLocality  gmx_unused  locality,
 249                            int                  gmx_unused  gridId,
 250                            int                  gmx_unused  numColumnsMax) CUDA_FUNC_TERM;
 251
 252 /*! \brief Sync the nonlocal stream with dependent tasks in the local queue.
 253  * \param[in] nb                   The nonbonded data GPU structure
 254  * \param[in] interactionLocality  Local or NonLocal sync point
 255  */
 256 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 257 void nbnxnInsertNonlocalGpuDependency(const gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused    *nb,
 258                                       InteractionLocality   gmx_unused interactionLocality) CUDA_FUNC_TERM;
 259
 260 /*! \brief Set up internal flags that indicate what type of short-range work there is.
 261  *
 262  * As nonbondeds and bondeds share input/output buffers and GPU queues,
 263  * both are considered when checking for work in the current domain.
 264  *
 265  * This function is expected to be called every time the work-distribution
 266  * can change (i.e. at search/domain decomposition steps).
 267  *
 268  * \param[inout]  nb         Pointer to the nonbonded GPU data structure
 269  * \param[in]     gpuBonded  Pointer to the GPU bonded data structure
 270  * \param[in]     iLocality  Interaction locality identifier
 271  */
 272 GPU_FUNC_QUALIFIER
 273 void setupGpuShortRangeWork(gmx_nbnxn_gpu_t                  gmx_unused *nb,
 274                             const gmx::GpuBonded             gmx_unused *gpuBonded,
 275                             Nbnxm::InteractionLocality       gmx_unused  iLocality) GPU_FUNC_TERM;
 276
 277 /*! \brief Returns true if there is GPU short-range work for the given atom locality.
 278  *
 279  * Note that as, unlike nonbonded tasks, bonded tasks are not split into local/nonlocal,
 280  * and therefore if there are GPU offloaded bonded interactions, this function will return
 281  * true for both local and nonlocal atom range.
 282  *
 283  * \param[inout]  nb        Pointer to the nonbonded GPU data structure
 284  * \param[in]     aLocality Atom locality identifier
 285  */
 286 GPU_FUNC_QUALIFIER
 287 bool haveGpuShortRangeWork(const gmx_nbnxn_gpu_t     gmx_unused *nb,
 288                            Nbnxm::AtomLocality       gmx_unused  aLocality) GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(false);
 289
 290 /*! \brief Initialization for F buffer operations on GPU */
 291 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 292 void nbnxn_gpu_init_add_nbat_f_to_f(const int                   gmx_unused *cell,
 293                                     gmx_nbnxn_gpu_t             gmx_unused *gpu_nbv,
 294                                     int                         gmx_unused  natoms_total,
 295                                     GpuEventSynchronizer        gmx_unused *localReductionDone) CUDA_FUNC_TERM;
 296
 297 /*! \brief Force buffer operations on GPU.
 298  *
 299  * Transforms non-bonded forces into plain rvec format and add all the force components to the total
 300  * force buffer
 301  *
 302  * \param[in]   atomLocality         If the reduction should be performed on local or non-local atoms.
 303  * \param[in]   totalForcesDevice    Device buffer to accumulate resulting force.
 304  * \param[in]   gpu_nbv              The NBNXM GPU data structure.
 305  * \param[in]   pmeForcesDevice      Device buffer with PME forces.
 306  * \param[in]   dependencyList       List of synchronizers that represent the dependencies the reduction task needs to sync on.
 307  * \param[in]   atomStart            Index of the first atom to reduce forces for.
 308  * \param[in]   numAtoms             Number of atoms to reduce forces for.
 309  * \param[in]   useGpuFPmeReduction  Whether PME forces should be added.
 310  * \param[in]   accumulateForce      Whether there are usefull data already in the total force buffer.
 311  *
 312  */
 313 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 314 void nbnxn_gpu_add_nbat_f_to_f(AtomLocality                               gmx_unused  atomLocality,
 315                                DeviceBuffer<float>                        gmx_unused  totalForcesDevice,
 316                                gmx_nbnxn_gpu_t                            gmx_unused *gpu_nbv,
 317                                void                                       gmx_unused *pmeForcesDevice,
 318                                gmx::ArrayRef<GpuEventSynchronizer* const> gmx_unused  dependencyList,
 319                                int                                        gmx_unused  atomStart,
 320                                int                                        gmx_unused  numAtoms,
 321                                bool                                       gmx_unused  useGpuFPmeReduction,
 322                                bool                                       gmx_unused  accumulateForce) CUDA_FUNC_TERM;
 323
 324 /*! \brief sync CPU thread on coordinate copy to device
 325  * \param[in] nb                   The nonbonded data GPU structure
 326  */
 327 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 328 void nbnxn_wait_x_on_device(gmx_nbnxn_gpu_t     gmx_unused *nb) CUDA_FUNC_TERM;
 329
 330 /*! \brief return pointer to event recorded when coordinates have been copied to device
 331  * \param[in] nb                   The nonbonded data GPU structure
 332  */
 333 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 334 void* nbnxn_get_x_on_device_event(const gmx_nbnxn_gpu_t gmx_unused    *nb) CUDA_FUNC_TERM_WITH_RETURN(nullptr);
 335
 336 /*! \brief Wait for non-local copy of coordinate buffer from device to host
 337  * \param[in] nb                   The nonbonded data GPU structure
 338  */
 339 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 340 void nbnxn_wait_nonlocal_x_copy_D2H_done(gmx_nbnxn_gpu_t     gmx_unused *nb) CUDA_FUNC_TERM;
 341
 342 /*! \brief Ensure local stream waits for non-local stream
 343  * \param[in] nb                   The nonbonded data GPU structure
 344  */
 345 CUDA_FUNC_QUALIFIER
 346 void nbnxn_stream_local_wait_for_nonlocal(gmx_nbnxn_gpu_t     gmx_unused *nb) CUDA_FUNC_TERM;
 347
 348 } // namespace Nbnxm
 349 #endif