src/gromacs/nbnxm/pairlist.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, 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 #ifndef GMX_NBNXM_PAIRLIST_H
  37 #define GMX_NBNXM_PAIRLIST_H
  38
  39 #include "config.h"
  40
  41 #include <cstddef>
  42
  43 #include "gromacs/gpu_utils/hostallocator.h"
  44 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  45 #include "gromacs/mdtypes/nblist.h"
  46 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  47 #include "gromacs/utility/bitmask.h"
  48 #include "gromacs/utility/defaultinitializationallocator.h"
  49 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  50 #include "gromacs/utility/real.h"
  51
  52 // This file with constants is separate from this file to be able
  53 // to include it during OpenCL jitting without including config.h
  54 #include "gromacs/nbnxm/constants.h"
  55
  56 struct NbnxnPairlistCpuWork;
  57 struct NbnxnPairlistGpuWork;
  58 struct tMPI_Atomic;
  59
  60 namespace Nbnxm
  61 {
  62 enum class KernelType;
  63 }
  64
  65 /* Convenience type for vector with aligned memory */
  66 template<typename T>
  67 using AlignedVector = std::vector < T, gmx::AlignedAllocator < T>>;
  68
  69 /* Convenience type for vector that avoids initialization at resize() */
  70 template<typename T>
  71 using FastVector = std::vector < T, gmx::DefaultInitializationAllocator < T>>;
  72
  73 enum class PairlistType : int
  74 {
  75     Simple4x2,
  76     Simple4x4,
  77     Simple4x8,
  78     Hierarchical8x8,
  79     Count
  80 };
  81
  82 static constexpr gmx::EnumerationArray<PairlistType, int> IClusterSizePerListType = { 4, 4, 4, 8 };
  83 static constexpr gmx::EnumerationArray<PairlistType, int> JClusterSizePerListType = { 2, 4, 8, 8 };
  84
  85 /*! \cond INTERNAL */
  86
  87 /*! \brief The setup for generating and pruning the nbnxn pair list.
  88  *
  89  * Without dynamic pruning rlistOuter=rlistInner.
  90  */
  91 struct NbnxnListParameters
  92 {
  93     /*! \brief Constructor producing a struct with dynamic pruning disabled
  94      */
  95     NbnxnListParameters(Nbnxm::KernelType kernelType,
  96                         real              rlist);
  97
  98     PairlistType pairlistType;      //!< The type of cluster-pair list
  99     bool         useDynamicPruning; //!< Are we using dynamic pair-list pruning
 100     int          nstlistPrune;      //!< Pair-list dynamic pruning interval
 101     real         rlistOuter;        //!< Cut-off of the larger, outer pair-list
 102     real         rlistInner;        //!< Cut-off of the smaller, inner pair-list
 103     int          numRollingParts;   //!< The number parts to divide the pair-list into for rolling pruning, a value of 1 gives no rolling pruning
 104 };
 105
 106 /*! \endcond */
 107
 108 /* With CPU kernels the i-cluster size is always 4 atoms. */
 109 static constexpr int c_nbnxnCpuIClusterSize = 4;
 110
 111 /* With GPU kernels the i and j cluster size is 8 atoms for CUDA and can be set at compile time for OpenCL */
 112 #if GMX_GPU == GMX_GPU_OPENCL
 113 static constexpr int c_nbnxnGpuClusterSize = GMX_OPENCL_NB_CLUSTER_SIZE;
 114 #else
 115 static constexpr int c_nbnxnGpuClusterSize = 8;
 116 #endif
 117
 118 /* The number of clusters in a pair-search cell, used for GPU */
 119 static constexpr int c_gpuNumClusterPerCellZ = 2;
 120 static constexpr int c_gpuNumClusterPerCellY = 2;
 121 static constexpr int c_gpuNumClusterPerCellX = 2;
 122 static constexpr int c_gpuNumClusterPerCell  = c_gpuNumClusterPerCellZ*c_gpuNumClusterPerCellY*c_gpuNumClusterPerCellX;
 123
 124
 125 /* In CUDA the number of threads in a warp is 32 and we have cluster pairs
 126  * of 8*8=64 atoms, so it's convenient to store data for cluster pair halves.
 127  */
 128 static constexpr int c_nbnxnGpuClusterpairSplit = 2;
 129
 130 /* The fixed size of the exclusion mask array for a half cluster pair */
 131 static constexpr int c_nbnxnGpuExclSize = c_nbnxnGpuClusterSize*c_nbnxnGpuClusterSize/c_nbnxnGpuClusterpairSplit;
 132
 133 /* A buffer data structure of 64 bytes
 134  * to be placed at the beginning and end of structs
 135  * to avoid cache invalidation of the real contents
 136  * of the struct by writes to neighboring memory.
 137  */
 138 typedef struct {
 139     int dummy[16];
 140 } gmx_cache_protect_t;
 141
 142 /* This is the actual cluster-pair list j-entry.
 143  * cj is the j-cluster.
 144  * The interaction bits in excl are indexed i-major, j-minor.
 145  * The cj entries are sorted such that ones with exclusions come first.
 146  * This means that once a full mask (=NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
 147  * is found, all subsequent j-entries in the i-entry also have full masks.
 148  */
 149 struct nbnxn_cj_t
 150 {
 151     int          cj;    /* The j-cluster                    */
 152     unsigned int excl;  /* The exclusion (interaction) bits */
 153 };
 154
 155 /* In nbnxn_ci_t the integer shift contains the shift in the lower 7 bits.
 156  * The upper bits contain information for non-bonded kernel optimization.
 157  * Simply calculating LJ and Coulomb for all pairs in a cluster pair is fine.
 158  * But three flags can be used to skip interactions, currently only for subc=0
 159  * !(shift & NBNXN_CI_DO_LJ(subc))   => we can skip LJ for all pairs
 160  * shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(subc)    => we can skip LJ for the second half of i
 161  * !(shift & NBNXN_CI_DO_COUL(subc)) => we can skip Coulomb for all pairs
 162  */
 163 #define NBNXN_CI_SHIFT          127
 164 #define NBNXN_CI_DO_LJ(subc)    (1<<(7+3*(subc)))
 165 #define NBNXN_CI_HALF_LJ(subc)  (1<<(8+3*(subc)))
 166 #define NBNXN_CI_DO_COUL(subc)  (1<<(9+3*(subc)))
 167
 168 /* Cluster-pair Interaction masks
 169  * Bit i*j-cluster-size + j tells if atom i and j interact.
 170  */
 171 // TODO: Rename according to convention when moving into Nbnxn namespace
 172 /* All interaction mask is the same for all kernels */
 173 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL       = 0xffffffffU;
 174 /* 4x4 kernel diagonal mask */
 175 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG      = 0x08ceU;
 176 /* 4x2 kernel diagonal masks */
 177 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 = 0x0002U;
 178 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 = 0x002fU;
 179 /* 4x8 kernel diagonal masks */
 180 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 = 0xf0f8fcfeU;
 181 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 = 0x0080c0e0U;
 182
 183 /* Simple pair-list i-unit */
 184 struct nbnxn_ci_t
 185 {
 186     int ci;             /* i-cluster             */
 187     int shift;          /* Shift vector index plus possible flags, see above */
 188     int cj_ind_start;   /* Start index into cj   */
 189     int cj_ind_end;     /* End index into cj     */
 190 };
 191
 192 /* Grouped pair-list i-unit */
 193 typedef struct {
 194     /* Returns the number of j-cluster groups in this entry */
 195     int numJClusterGroups() const
 196     {
 197         return cj4_ind_end - cj4_ind_start;
 198     }
 199
 200     int sci;            /* i-super-cluster       */
 201     int shift;          /* Shift vector index plus possible flags */
 202     int cj4_ind_start;  /* Start index into cj4  */
 203     int cj4_ind_end;    /* End index into cj4    */
 204 } nbnxn_sci_t;
 205
 206 /* Interaction data for a j-group for one warp */
 207 struct nbnxn_im_ei_t
 208 {
 209     // The i-cluster interactions mask for 1 warp
 210     unsigned int imask    = 0U;
 211     // Index into the exclusion array for 1 warp, default index 0 which means no exclusions
 212     int          excl_ind = 0;
 213 };
 214
 215 typedef struct {
 216     int           cj[c_nbnxnGpuJgroupSize];         /* The 4 j-clusters */
 217     nbnxn_im_ei_t imei[c_nbnxnGpuClusterpairSplit]; /* The i-cluster mask data       for 2 warps   */
 218 } nbnxn_cj4_t;
 219
 220 /* Struct for storing the atom-pair interaction bits for a cluster pair in a GPU pairlist */
 221 struct nbnxn_excl_t
 222 {
 223     /* Constructor, sets no exclusions, so all atom pairs interacting */
 224     nbnxn_excl_t()
 225     {
 226         for (unsigned int &pairEntry : pair)
 227         {
 228             pairEntry = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
 229         }
 230     }
 231
 232     /* Topology exclusion interaction bits per warp */
 233     unsigned int pair[c_nbnxnGpuExclSize];
 234 };
 235
 236 /* Cluster pairlist type for use on CPUs */
 237 struct NbnxnPairlistCpu
 238 {
 239     gmx_cache_protect_t     cp0;
 240
 241     int                     na_ci;       /* The number of atoms per i-cluster        */
 242     int                     na_cj;       /* The number of atoms per j-cluster        */
 243     real                    rlist;       /* The radius for constructing the list     */
 244     FastVector<nbnxn_ci_t>  ci;          /* The i-cluster list                       */
 245     FastVector<nbnxn_ci_t>  ciOuter;     /* The outer, unpruned i-cluster list       */
 246
 247     FastVector<nbnxn_cj_t>  cj;          /* The j-cluster list, size ncj             */
 248     FastVector<nbnxn_cj_t>  cjOuter;     /* The outer, unpruned j-cluster list       */
 249     int                     ncjInUse;    /* The number of j-clusters that are used by ci entries in this list, will be <= cj.size() */
 250
 251     int                     nci_tot;     /* The total number of i clusters           */
 252
 253     NbnxnPairlistCpuWork   *work;
 254
 255     gmx_cache_protect_t     cp1;
 256 };
 257
 258 /* Cluster pairlist type, with extra hierarchies, for on the GPU
 259  *
 260  * NOTE: for better performance when combining lists over threads,
 261  *       all vectors should use default initialization. But when
 262  *       changing this, excl should be intialized when adding entries.
 263  */
 264 struct NbnxnPairlistGpu
 265 {
 266     /* Constructor
 267      *
 268      * \param[in] pinningPolicy  Sets the pinning policy for all buffers used on the GPU
 269      */
 270     NbnxnPairlistGpu(gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 271
 272     gmx_cache_protect_t            cp0;
 273
 274     int                            na_ci; /* The number of atoms per i-cluster        */
 275     int                            na_cj; /* The number of atoms per j-cluster        */
 276     int                            na_sc; /* The number of atoms per super cluster    */
 277     real                           rlist; /* The radius for constructing the list     */
 278     // The i-super-cluster list, indexes into cj4;
 279     gmx::HostVector<nbnxn_sci_t>   sci;
 280     // The list of 4*j-cluster groups
 281     gmx::HostVector<nbnxn_cj4_t>   cj4;
 282     // Atom interaction bits (non-exclusions)
 283     gmx::HostVector<nbnxn_excl_t>  excl;
 284     // The total number of i-clusters
 285     int                            nci_tot;
 286
 287     NbnxnPairlistGpuWork          *work;
 288
 289     gmx_cache_protect_t            cp1;
 290 };
 291
 292 struct nbnxn_pairlist_set_t
 293 {
 294     nbnxn_pairlist_set_t(const NbnxnListParameters &listParams);
 295
 296     int                         nnbl;         /* number of lists */
 297     NbnxnPairlistCpu          **nbl;          /* lists for CPU */
 298     NbnxnPairlistCpu          **nbl_work;     /* work space for rebalancing lists */
 299     NbnxnPairlistGpu          **nblGpu;       /* lists for GPU */
 300     const NbnxnListParameters  &params;       /* Pairlist parameters desribing setup and ranges */
 301     gmx_bool                    bCombined;    /* TRUE if lists get combined into one (the 1st) */
 302     gmx_bool                    bSimple;      /* TRUE if the list of of type "simple"
 303                                                  (na_sc=na_s, no super-clusters used) */
 304
 305     /* Counts for debug printing */
 306     int                     natpair_ljq;           /* Total number of atom pairs for LJ+Q kernel */
 307     int                     natpair_lj;            /* Total number of atom pairs for LJ kernel   */
 308     int                     natpair_q;             /* Total number of atom pairs for Q kernel    */
 309     std::vector<t_nblist *> nbl_fep;               /* List of free-energy atom pair interactions */
 310     int64_t                 outerListCreationStep; /* Step at which the outer list was created */
 311 };
 312
 313 enum {
 314     nbatXYZ, nbatXYZQ, nbatX4, nbatX8
 315 };
 316
 317 // Struct that holds force and energy output buffers
 318 struct nbnxn_atomdata_output_t
 319 {
 320     /* Constructor
 321      *
 322      * \param[in] kernelType              Type of non-bonded kernel
 323      * \param[in] numEnergyGroups         The number of energy groups
 324      * \param[in] simdEnergyBufferStride  Stride for entries in the energy buffers for SIMD kernels
 325      * \param[in] pinningPolicy           Sets the pinning policy for all buffers used on the GPU
 326      */
 327     nbnxn_atomdata_output_t(Nbnxm::KernelType  kernelType,
 328                             int                numEnergyGroups,
 329                             int                simdEnergyBUfferStride,
 330                             gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 331
 332     gmx::HostVector<real> f;      // f, size natoms*fstride
 333     gmx::HostVector<real> fshift; // Shift force array, size SHIFTS*DIM
 334     gmx::HostVector<real> Vvdw;   // Temporary Van der Waals group energy storage
 335     gmx::HostVector<real> Vc;     // Temporary Coulomb group energy storage
 336     AlignedVector<real>   VSvdw;  // Temporary SIMD Van der Waals group energy storage
 337     AlignedVector<real>   VSc;    // Temporary SIMD Coulomb group energy storage
 338 };
 339
 340 /* Block size in atoms for the non-bonded thread force-buffer reduction,
 341  * should be a multiple of all cell and x86 SIMD sizes (i.e. 2, 4 and 8).
 342  * Should be small to reduce the reduction and zeroing cost,
 343  * but too small will result in overhead.
 344  * Currently the block size is NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*3*sizeof(real)=192 bytes.
 345  */
 346 #if GMX_DOUBLE
 347 #define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE   8
 348 #else
 349 #define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE  16
 350 #endif
 351
 352 /* We store the reduction flags as gmx_bitmask_t.
 353  * This limits the number of flags to BITMASK_SIZE.
 354  */
 355 #define NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS  (BITMASK_SIZE)
 356
 357 /* Flags for telling if threads write to force output buffers */
 358 typedef struct {
 359     int               nflag;       /* The number of flag blocks                         */
 360     gmx_bitmask_t    *flag;        /* Bit i is set when thread i writes to a cell-block */
 361     int               flag_nalloc; /* Allocation size of cxy_flag                       */
 362 } nbnxn_buffer_flags_t;
 363
 364 /* LJ combination rules: geometric, Lorentz-Berthelot, none */
 365 enum {
 366     ljcrGEOM, ljcrLB, ljcrNONE, ljcrNR
 367 };
 368
 369 /* Struct that stores atom related data for the nbnxn module
 370  *
 371  * Note: performance would improve slightly when all std::vector containers
 372  *       in this struct would not initialize during resize().
 373  */
 374 struct nbnxn_atomdata_t
 375 {   //NOLINT(clang-analyzer-optin.performance.Padding)
 376     struct Params
 377     {
 378         /* Constructor
 379          *
 380          * \param[in] pinningPolicy  Sets the pinning policy for all data that might be transfered to a GPU
 381          */
 382         Params(gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 383
 384         // The number of different atom types
 385         int                   numTypes;
 386         // Lennard-Jone 6*C6 and 12*C12 parameters, size numTypes*2*2
 387         gmx::HostVector<real> nbfp;
 388         // Combination rule, see enum defined above
 389         int                   comb_rule;
 390         // LJ parameters per atom type, size numTypes*2
 391         gmx::HostVector<real> nbfp_comb;
 392         // As nbfp, but with a stride for the present SIMD architecture
 393         AlignedVector<real>   nbfp_aligned;
 394         // Atom types per atom
 395         gmx::HostVector<int>  type;
 396         // LJ parameters per atom for fast SIMD loading
 397         gmx::HostVector<real> lj_comb;
 398         // Charges per atom, not set with format nbatXYZQ
 399         gmx::HostVector<real> q;
 400         // The number of energy groups
 401         int                   nenergrp;
 402         // 2log(nenergrp)
 403         int                   neg_2log;
 404         // The energy groups, one int entry per cluster, only set when needed
 405         gmx::HostVector<int>  energrp;
 406     };
 407
 408     // Diagonal and topology exclusion helper data for all SIMD kernels
 409     struct SimdMasks
 410     {
 411         SimdMasks();
 412
 413         // Helper data for setting up diagonal exclusion masks in the SIMD 4xN kernels
 414         AlignedVector<real>     diagonal_4xn_j_minus_i;
 415         // Helper data for setting up diaginal exclusion masks in the SIMD 2xNN kernels
 416         AlignedVector<real>     diagonal_2xnn_j_minus_i;
 417         // Filters for topology exclusion masks for the SIMD kernels
 418         AlignedVector<uint32_t> exclusion_filter;
 419         // Filters for topology exclusion masks for double SIMD kernels without SIMD int32 logical support
 420         AlignedVector<uint64_t> exclusion_filter64;
 421         // Array of masks needed for exclusions
 422         AlignedVector<real>     interaction_array;
 423     };
 424
 425     /* Constructor
 426      *
 427      * \param[in] pinningPolicy  Sets the pinning policy for all data that might be transfered to a GPU
 428      */
 429     nbnxn_atomdata_t(gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 430
 431     /* Returns a const reference to the parameters */
 432     const Params &params() const
 433     {
 434         return params_;
 435     }
 436
 437     /* Returns a non-const reference to the parameters */
 438     Params &paramsDeprecated()
 439     {
 440         return params_;
 441     }
 442
 443     /* Returns the current total number of atoms stored */
 444     int numAtoms() const
 445     {
 446         return numAtoms_;
 447     }
 448
 449     /* Return the coordinate buffer, and q with xFormat==nbatXYZQ */
 450     gmx::ArrayRef<const real> x() const
 451     {
 452         return x_;
 453     }
 454
 455     /* Return the coordinate buffer, and q with xFormat==nbatXYZQ */
 456     gmx::ArrayRef<real> x()
 457     {
 458         return x_;
 459     }
 460
 461     /* Resizes the coordinate buffer and sets the number of atoms */
 462     void resizeCoordinateBuffer(int numAtoms);
 463
 464     /* Resizes the force buffers for the current number of atoms */
 465     void resizeForceBuffers();
 466
 467     private:
 468         // The LJ and charge parameters
 469         Params                     params_;
 470         // The total number of atoms currently stored
 471         int                        numAtoms_;
 472     public:
 473         int                        natoms_local; /* Number of local atoms                           */
 474         int                        XFormat;      /* The format of x (and q), enum                      */
 475         int                        FFormat;      /* The format of f, enum                              */
 476         gmx_bool                   bDynamicBox;  /* Do we need to update shift_vec every step?    */
 477         gmx::HostVector<gmx::RVec> shift_vec;    /* Shift vectors, copied from t_forcerec              */
 478         int                        xstride;      /* stride for a coordinate in x (usually 3 or 4)      */
 479         int                        fstride;      /* stride for a coordinate in f (usually 3 or 4)      */
 480     private:
 481         gmx::HostVector<real>      x_;           /* x and possibly q, size natoms*xstride              */
 482
 483     public:
 484         // Masks for handling exclusions in the SIMD kernels
 485         const SimdMasks          simdMasks;
 486
 487         /* Output data */
 488         std::vector<nbnxn_atomdata_output_t> out; /* Output data structures, 1 per thread */
 489
 490         /* Reduction related data */
 491         gmx_bool                 bUseBufferFlags;     /* Use the flags or operate on all atoms     */
 492         nbnxn_buffer_flags_t     buffer_flags;        /* Flags for buffer zeroing+reduc.  */
 493         gmx_bool                 bUseTreeReduce;      /* Use tree for force reduction */
 494         tMPI_Atomic             *syncStep;            /* Synchronization step for tree reduce */
 495 };
 496
 497 #endif