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 <cstddef>
  40
  41 #include "gromacs/gpu_utils/hostallocator.h"
  42 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  43 #include "gromacs/mdtypes/locality.h"
  44 #include "gromacs/mdtypes/nblist.h"
  45 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  46 #include "gromacs/utility/defaultinitializationallocator.h"
  47 #include "gromacs/utility/enumerationhelpers.h"
  48 #include "gromacs/utility/real.h"
  49
  50 // This file with constants is separate from this file to be able
  51 // to include it during OpenCL jitting without including config.h
  52 #include "constants.h"
  53 #include "pairlistparams.h"
  54
  55 struct NbnxnPairlistCpuWork;
  56 struct NbnxnPairlistGpuWork;
  57
  58
  59 /* Convenience type for vector with aligned memory */
  60 template<typename T>
  61 using AlignedVector = std::vector<T, gmx::AlignedAllocator<T>>;
  62
  63 /* Convenience type for vector that avoids initialization at resize() */
  64 template<typename T>
  65 using FastVector = std::vector<T, gmx::DefaultInitializationAllocator<T>>;
  66
  67 /* A buffer data structure of 64 bytes
  68  * to be placed at the beginning and end of structs
  69  * to avoid cache invalidation of the real contents
  70  * of the struct by writes to neighboring memory.
  71  */
  72 typedef struct
  73 {
  74     int dummy[16];
  75 } gmx_cache_protect_t;
  76
  77 /* This is the actual cluster-pair list j-entry.
  78  * cj is the j-cluster.
  79  * The interaction bits in excl are indexed i-major, j-minor.
  80  * The cj entries are sorted such that ones with exclusions come first.
  81  * This means that once a full mask (=NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
  82  * is found, all subsequent j-entries in the i-entry also have full masks.
  83  */
  84 struct nbnxn_cj_t
  85 {
  86     int          cj;   /* The j-cluster                    */
  87     unsigned int excl; /* The exclusion (interaction) bits */
  88 };
  89
  90 /* In nbnxn_ci_t the integer shift contains the shift in the lower 7 bits.
  91  * The upper bits contain information for non-bonded kernel optimization.
  92  * Simply calculating LJ and Coulomb for all pairs in a cluster pair is fine.
  93  * But three flags can be used to skip interactions, currently only for subc=0
  94  * !(shift & NBNXN_CI_DO_LJ(subc))   => we can skip LJ for all pairs
  95  * shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(subc)    => we can skip LJ for the second half of i
  96  * !(shift & NBNXN_CI_DO_COUL(subc)) => we can skip Coulomb for all pairs
  97  */
  98 #define NBNXN_CI_SHIFT 127
  99 #define NBNXN_CI_DO_LJ(subc) (1 << (7 + 3 * (subc)))
 100 #define NBNXN_CI_HALF_LJ(subc) (1 << (8 + 3 * (subc)))
 101 #define NBNXN_CI_DO_COUL(subc) (1 << (9 + 3 * (subc)))
 102
 103 /* Cluster-pair Interaction masks
 104  * Bit i*j-cluster-size + j tells if atom i and j interact.
 105  */
 106 // TODO: Rename according to convention when moving into Nbnxn namespace
 107 /* All interaction mask is the same for all kernels */
 108 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL = 0xffffffffU;
 109 /* 4x4 kernel diagonal mask */
 110 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG = 0x08ceU;
 111 /* 4x2 kernel diagonal masks */
 112 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 = 0x0002U;
 113 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 = 0x002fU;
 114 /* 4x8 kernel diagonal masks */
 115 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 = 0xf0f8fcfeU;
 116 constexpr unsigned int NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 = 0x0080c0e0U;
 117
 118 /* Simple pair-list i-unit */
 119 struct nbnxn_ci_t
 120 {
 121     int ci;           /* i-cluster             */
 122     int shift;        /* Shift vector index plus possible flags, see above */
 123     int cj_ind_start; /* Start index into cj   */
 124     int cj_ind_end;   /* End index into cj     */
 125 };
 126
 127 /* Grouped pair-list i-unit */
 128 typedef struct
 129 {
 130     /* Returns the number of j-cluster groups in this entry */
 131     int numJClusterGroups() const { return cj4_ind_end - cj4_ind_start; }
 132
 133     int sci;           /* i-super-cluster       */
 134     int shift;         /* Shift vector index plus possible flags */
 135     int cj4_ind_start; /* Start index into cj4  */
 136     int cj4_ind_end;   /* End index into cj4    */
 137 } nbnxn_sci_t;
 138
 139 /* Interaction data for a j-group for one warp */
 140 struct nbnxn_im_ei_t
 141 {
 142     // The i-cluster interactions mask for 1 warp
 143     unsigned int imask = 0U;
 144     // Index into the exclusion array for 1 warp, default index 0 which means no exclusions
 145     int excl_ind = 0;
 146 };
 147
 148 typedef struct
 149 {
 150     int           cj[c_nbnxnGpuJgroupSize];         /* The 4 j-clusters */
 151     nbnxn_im_ei_t imei[c_nbnxnGpuClusterpairSplit]; /* The i-cluster mask data       for 2 warps */
 152 } nbnxn_cj4_t;
 153
 154 /* Struct for storing the atom-pair interaction bits for a cluster pair in a GPU pairlist */
 155 struct nbnxn_excl_t
 156 {
 157     /* Constructor, sets no exclusions, so all atom pairs interacting */
 158     nbnxn_excl_t()
 159     {
 160         for (unsigned int& pairEntry : pair)
 161         {
 162             pairEntry = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
 163         }
 164     }
 165
 166     /* Topology exclusion interaction bits per warp */
 167     unsigned int pair[c_nbnxnGpuExclSize];
 168 };
 169
 170 /* Cluster pairlist type for use on CPUs */
 171 struct NbnxnPairlistCpu
 172 {
 173     NbnxnPairlistCpu();
 174
 175     gmx_cache_protect_t cp0;
 176
 177     int                    na_ci;   /* The number of atoms per i-cluster        */
 178     int                    na_cj;   /* The number of atoms per j-cluster        */
 179     real                   rlist;   /* The radius for constructing the list     */
 180     FastVector<nbnxn_ci_t> ci;      /* The i-cluster list                       */
 181     FastVector<nbnxn_ci_t> ciOuter; /* The outer, unpruned i-cluster list       */
 182
 183     FastVector<nbnxn_cj_t> cj;      /* The j-cluster list, size ncj             */
 184     FastVector<nbnxn_cj_t> cjOuter; /* The outer, unpruned j-cluster list       */
 185     int                    ncjInUse; /* The number of j-clusters that are used by ci entries in this list, will be <= cj.size() */
 186
 187     int nci_tot; /* The total number of i clusters           */
 188
 189     /* Working data storage for list construction */
 190     std::unique_ptr<NbnxnPairlistCpuWork> work;
 191
 192     gmx_cache_protect_t cp1;
 193 };
 194
 195 /* Cluster pairlist type, with extra hierarchies, for on the GPU
 196  *
 197  * NOTE: for better performance when combining lists over threads,
 198  *       all vectors should use default initialization. But when
 199  *       changing this, excl should be intialized when adding entries.
 200  */
 201 struct NbnxnPairlistGpu
 202 {
 203     /* Constructor
 204      *
 205      * \param[in] pinningPolicy  Sets the pinning policy for all buffers used on the GPU
 206      */
 207     NbnxnPairlistGpu(gmx::PinningPolicy pinningPolicy);
 208
 209     gmx_cache_protect_t cp0;
 210
 211     int  na_ci; /* The number of atoms per i-cluster        */
 212     int  na_cj; /* The number of atoms per j-cluster        */
 213     int  na_sc; /* The number of atoms per super cluster    */
 214     real rlist; /* The radius for constructing the list     */
 215     // The i-super-cluster list, indexes into cj4;
 216     gmx::HostVector<nbnxn_sci_t> sci;
 217     // The list of 4*j-cluster groups
 218     gmx::HostVector<nbnxn_cj4_t> cj4;
 219     // Atom interaction bits (non-exclusions)
 220     gmx::HostVector<nbnxn_excl_t> excl;
 221     // The total number of i-clusters
 222     int nci_tot;
 223
 224     /* Working data storage for list construction */
 225     std::unique_ptr<NbnxnPairlistGpuWork> work;
 226
 227     gmx_cache_protect_t cp1;
 228 };
 229
 230 //! Initializes a free-energy pair-list
 231 void nbnxn_init_pairlist_fep(t_nblist* nl);
 232
 233 #endif