Pipeline GPU PME Spline/Spread with PP Comms
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / ewald / pme_gpu_internal.h
index b515e3b222d5e2520c31280bf6fb341166480465..0a6ee2a5d29a1b901e85bf828421c9c8f048d92a 100644 (file)
@@ -1,7 +1,7 @@
 /*
  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
  *
- * Copyright (c) 2016,2017,2018,2019,2020, by the GROMACS development team, led by
+ * Copyright (c) 2016,2017,2018,2019,2020,2021, by the GROMACS development team, led by
  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
 #include "gromacs/fft/fft.h" // for the gmx_fft_direction enum
 #include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer_datatype.h"
 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_macros.h" // for the GPU_FUNC_ macros
-#include "gromacs/utility/arrayref.h"
 
 #include "pme_gpu_types_host.h"
 #include "pme_output.h"
 
-class GpuEventSynchronizer;
+class DeviceContext;
 struct DeviceInformation;
+class DeviceStream;
+class GpuEventSynchronizer;
 struct gmx_hw_info_t;
 struct gmx_gpu_opt_t;
 struct gmx_pme_t; // only used in pme_gpu_reinit
@@ -68,10 +69,21 @@ struct PmeGpuStaging;
 struct PmeGpuSettings;
 struct t_complex;
 
+#ifndef FEP_STATE_A
+//! Grid index of FEP state A (or unperturbed system)
+#    define FEP_STATE_A 0
+#endif
+#ifndef FEP_STATE_B
+//! Grid index of FEP state B
+#    define FEP_STATE_B 1
+#endif
+
 namespace gmx
 {
+template<typename>
+class ArrayRef;
 class MDLogger;
-}
+} // namespace gmx
 
 //! Type of spline data
 enum class PmeSplineDataType
@@ -88,21 +100,15 @@ enum class GridOrdering
 };
 
 /*! \libinternal \brief
- * Returns the number of atoms per chunk in the atom charges/coordinates data layout.
- * Depends on CUDA-specific block sizes, needed for the atom data padding.
+ * Returns the size of the block size requirement
  *
- * \param[in] pmeGpu            The PME GPU structure.
- * \returns   Number of atoms in a single GPU atom data chunk.
- */
-int pme_gpu_get_atom_data_alignment(const PmeGpu* pmeGpu);
-
-/*! \libinternal \brief
- * Returns the number of atoms per chunk in the atom spline theta/dtheta data layout.
+ * The GPU version of PME requires that the coordinates array have a
+ * size divisible by the returned number.
  *
- * \param[in] pmeGpu            The PME GPU structure.
- * \returns   Number of atoms in a single GPU atom spline data chunk.
+ * \returns Number of atoms in a single GPU atom data chunk, which
+ * determines a minimum divisior of the size of the memory allocated.
  */
-int pme_gpu_get_atoms_per_warp(const PmeGpu* pmeGpu);
+int pme_gpu_get_atom_data_block_size();
 
 /*! \libinternal \brief
  * Synchronizes the current computation, waiting for the GPU kernels/transfers to finish.
@@ -137,8 +143,10 @@ void pme_gpu_clear_energy_virial(const PmeGpu* pmeGpu);
  * Reallocates and copies the pre-computed B-spline values to the GPU.
  *
  * \param[in,out] pmeGpu             The PME GPU structure.
+ * \param[in]     gridIndex          The index of the grid to use. 0 is Coulomb in the normal
+ *                                   state or FEP state A and 1 is Coulomb in FEP state B.
  */
-void pme_gpu_realloc_and_copy_bspline_values(PmeGpu* pmeGpu);
+void pme_gpu_realloc_and_copy_bspline_values(PmeGpu* pmeGpu, int gridIndex = 0);
 
 /*! \libinternal \brief
  * Frees the pre-computed B-spline values on the GPU (and the transfer CPU buffers).
@@ -191,11 +199,15 @@ bool pme_gpu_stream_query(const PmeGpu* pmeGpu);
  *
  * \param[in] pmeGpu            The PME GPU structure.
  * \param[in] h_coefficients    The input atom charges/coefficients.
+ * \param[in] gridIndex         The index of the grid to use. 0 is Coulomb in the normal
+ *                              state or FEP state A and 1 is Coulomb in FEP state B.
  *
  * Does not need to be done for every PME computation, only whenever the local charges change.
  * (So, in the beginning of the run, or on DD step).
  */
-void pme_gpu_realloc_and_copy_input_coefficients(PmeGpu* pmeGpu, const float* h_coefficients);
+void pme_gpu_realloc_and_copy_input_coefficients(const PmeGpu* pmeGpu,
+                                                 const float*  h_coefficients,
+                                                 int           gridIndex = 0);
 
 /*! \libinternal \brief
  * Frees the charges/coefficients on the GPU.
@@ -271,30 +283,34 @@ void pme_gpu_free_fract_shifts(const PmeGpu* pmeGpu);
 /*! \libinternal \brief
  * Copies the input real-space grid from the host to the GPU.
  *
- * \param[in] pmeGpu   The PME GPU structure.
- * \param[in] h_grid   The host-side grid buffer.
+ * \param[in] pmeGpu    The PME GPU structure.
+ * \param[in] h_grid    The host-side grid buffer.
+ * \param[in] gridIndex The index of the grid to use. 0 is Coulomb in the normal
+ *                      state or FEP state A and 1 is Coulomb in FEP state B.
  */
-void pme_gpu_copy_input_gather_grid(const PmeGpu* pmeGpu, float* h_grid);
+void pme_gpu_copy_input_gather_grid(const PmeGpu* pmeGpu, const float* h_grid, int gridIndex = 0);
 
 /*! \libinternal \brief
  * Copies the output real-space grid from the GPU to the host.
  *
- * \param[in] pmeGpu   The PME GPU structure.
- * \param[out] h_grid  The host-side grid buffer.
+ * \param[in] pmeGpu    The PME GPU structure.
+ * \param[out] h_grid   The host-side grid buffer.
+ * \param[in] gridIndex The index of the grid to use. 0 is Coulomb in the normal
+ *                      state or FEP state A and 1 is Coulomb in FEP state B.
  */
-void pme_gpu_copy_output_spread_grid(const PmeGpu* pmeGpu, float* h_grid);
+void pme_gpu_copy_output_spread_grid(const PmeGpu* pmeGpu, float* h_grid, int gridIndex = 0);
 
 /*! \libinternal \brief
  * Copies the spread output spline data and gridline indices from the GPU to the host.
  *
- * \param[in] pmeGpu   The PME GPU structure.
+ * \param[in] pmeGpu    The PME GPU structure.
  */
 void pme_gpu_copy_output_spread_atom_data(const PmeGpu* pmeGpu);
 
 /*! \libinternal \brief
  * Copies the gather input spline data and gridline indices from the host to the GPU.
  *
- * \param[in] pmeGpu   The PME GPU structure.
+ * \param[in] pmeGpu    The PME GPU structure.
  */
 void pme_gpu_copy_input_gather_atom_data(const PmeGpu* pmeGpu);
 
@@ -305,14 +321,6 @@ void pme_gpu_copy_input_gather_atom_data(const PmeGpu* pmeGpu);
  */
 void pme_gpu_sync_spread_grid(const PmeGpu* pmeGpu);
 
-/*! \libinternal \brief
- * Does the one-time GPU-framework specific PME initialization.
- * For CUDA, the PME stream is created with the highest priority.
- *
- * \param[in] pmeGpu  The PME GPU structure.
- */
-void pme_gpu_init_internal(PmeGpu* pmeGpu);
-
 /*! \libinternal \brief
  * Initializes the CUDA FFT structures.
  *
@@ -332,40 +340,53 @@ void pme_gpu_destroy_3dfft(const PmeGpu* pmeGpu);
 /*! \libinternal \brief
  * A GPU spline computation and charge spreading function.
  *
- * \param[in]  pmeGpu          The PME GPU structure.
- * \param[in]  xReadyOnDevice  Event synchronizer indicating that the coordinates are ready in the device memory;
- *                             can be nullptr when invoked on a separate PME rank or from PME tests.
- * \param[in]  gridIndex       Index of the PME grid - unused, assumed to be 0.
- * \param[out] h_grid          The host-side grid buffer (used only if the result of the spread is expected on the host,
- *                             e.g. testing or host-side FFT)
- * \param[in]  computeSplines  Should the computation of spline parameters and gridline indices be performed.
- * \param[in]  spreadCharges   Should the charges/coefficients be spread on the grid.
- */
-GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_spread(const PmeGpu*         GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
-                                       GpuEventSynchronizer* GPU_FUNC_ARGUMENT(xReadyOnDevice),
-                                       int                   GPU_FUNC_ARGUMENT(gridIndex),
-                                       real*                 GPU_FUNC_ARGUMENT(h_grid),
-                                       bool                  GPU_FUNC_ARGUMENT(computeSplines),
-                                       bool GPU_FUNC_ARGUMENT(spreadCharges)) GPU_FUNC_TERM;
+ * \param[in]  pmeGpu                    The PME GPU structure.
+ * \param[in]  xReadyOnDevice            Event synchronizer indicating that the coordinates are
+ *                                       ready in the device memory; can be nullptr when invoked
+ *                                       on a separate PME rank or from PME tests.
+ * \param[out] h_grids                   The host-side grid buffers (used only if the result
+ *                                       of the spread is expected on the host, e.g. testing
+ *                                       or host-side FFT)
+ * \param[in]  computeSplines            Should the computation of spline parameters and gridline
+ *                                       indices be performed.
+ * \param[in]  spreadCharges             Should the charges/coefficients be spread on the grid.
+ * \param[in]  lambda                    The lambda value of the current system state.
+ * \param[in]  useGpuDirectComm          Whether direct GPU PME-PP communication is active
+ * \param[in]  pmeCoordinateReceiverGpu  Coordinate receiver object, which must be valid when
+ *                                       direct GPU PME-PP communication is active
+ */
+GPU_FUNC_QUALIFIER void
+pme_gpu_spread(const PmeGpu*                  GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
+               GpuEventSynchronizer*          GPU_FUNC_ARGUMENT(xReadyOnDevice),
+               float**                        GPU_FUNC_ARGUMENT(h_grids),
+               bool                           GPU_FUNC_ARGUMENT(computeSplines),
+               bool                           GPU_FUNC_ARGUMENT(spreadCharges),
+               real                           GPU_FUNC_ARGUMENT(lambda),
+               const bool                     GPU_FUNC_ARGUMENT(useGpuDirectComm),
+               gmx::PmeCoordinateReceiverGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeCoordinateReceiverGpu)) GPU_FUNC_TERM;
 
 /*! \libinternal \brief
  * 3D FFT R2C/C2R routine.
  *
  * \param[in]  pmeGpu          The PME GPU structure.
  * \param[in]  direction       Transform direction (real-to-complex or complex-to-real)
- * \param[in]  gridIndex       Index of the PME grid - unused, assumed to be 0.
+ * \param[in]  gridIndex       The index of the grid to use. 0 is Coulomb in the normal
+ *                             state or FEP state A and 1 is Coulomb in FEP state B.
  */
-void pme_gpu_3dfft(const PmeGpu* pmeGpu, enum gmx_fft_direction direction, int gridIndex);
+void pme_gpu_3dfft(const PmeGpu* pmeGpu, enum gmx_fft_direction direction, int gridIndex = 0);
 
 /*! \libinternal \brief
  * A GPU Fourier space solving function.
  *
  * \param[in]     pmeGpu                  The PME GPU structure.
+ * \param[in]     gridIndex               The index of the grid to use. 0 is Coulomb in the normal
+ *                                        state or FEP state A and 1 is Coulomb in FEP state B.
  * \param[in,out] h_grid                  The host-side input and output Fourier grid buffer (used only with testing or host-side FFT)
  * \param[in]     gridOrdering            Specifies the dimenion ordering of the complex grid. TODO: store this information?
  * \param[in]     computeEnergyAndVirial  Tells if the energy and virial computation should be performed.
  */
 GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_solve(const PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
+                                      int           GPU_FUNC_ARGUMENT(gridIndex),
                                       t_complex*    GPU_FUNC_ARGUMENT(h_grid),
                                       GridOrdering  GPU_FUNC_ARGUMENT(gridOrdering),
                                       bool GPU_FUNC_ARGUMENT(computeEnergyAndVirial)) GPU_FUNC_TERM;
@@ -373,11 +394,14 @@ GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_solve(const PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
 /*! \libinternal \brief
  * A GPU force gathering function.
  *
- * \param[in]     pmeGpu           The PME GPU structure.
- * reductions. \param[in]     h_grid           The host-side grid buffer (used only in testing mode)
+ * \param[in]     pmeGpu                   The PME GPU structure.
+ * \param[in]     h_grids                  The host-side grid buffer (used only in testing mode).
+ * \param[in]     lambda                   The lambda value to use.
  */
-GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_gather(PmeGpu*      GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
-                                       const float* GPU_FUNC_ARGUMENT(h_grid)) GPU_FUNC_TERM;
+GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_gather(PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
+                                       float** GPU_FUNC_ARGUMENT(h_grids),
+                                       float   GPU_FUNC_ARGUMENT(lambda)) GPU_FUNC_TERM;
+
 
 /*! \brief Sets the device pointer to coordinate data
  * \param[in] pmeGpu         The PME GPU structure.
@@ -390,15 +414,8 @@ GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_set_kernelparam_coordinates(const PmeGpu* GPU_FU
  * \param[in] pmeGpu         The PME GPU structure.
  * \returns                  Pointer to force data
  */
-GPU_FUNC_QUALIFIER void* pme_gpu_get_kernelparam_forces(const PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu))
-        GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(nullptr);
-
-/*! \brief Return pointer to GPU stream.
- * \param[in] pmeGpu         The PME GPU structure.
- * \returns                  Pointer to stream object.
- */
-GPU_FUNC_QUALIFIER const DeviceStream* pme_gpu_get_stream(const PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu))
-        GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(nullptr);
+GPU_FUNC_QUALIFIER DeviceBuffer<gmx::RVec> pme_gpu_get_kernelparam_forces(const PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu))
+        GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(DeviceBuffer<gmx::RVec>{});
 
 /*! \brief Return pointer to the sync object triggered after the PME force calculation completion
  * \param[in] pmeGpu         The PME GPU structure.
@@ -453,9 +470,11 @@ inline void pme_gpu_set_testing(PmeGpu* pmeGpu, bool testing)
  * handled the solve stage.
  *
  * \param[in] pme                The PME structure.
+ * \param[in] lambda             The lambda value to use when calculating the results.
  * \param[out] output            Pointer to output where energy and virial should be stored.
  */
 GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_getEnergyAndVirial(const gmx_pme_t& GPU_FUNC_ARGUMENT(pme),
+                                                   float            GPU_FUNC_ARGUMENT(lambda),
                                                    PmeOutput* GPU_FUNC_ARGUMENT(output)) GPU_FUNC_TERM;
 
 /*! \libinternal \brief
@@ -463,10 +482,12 @@ GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_getEnergyAndVirial(const gmx_pme_t& GPU_FUNC_ARG
  *
  * \param[in] pme                     The PME structure.
  * \param[in] computeEnergyAndVirial  Whether the energy and virial are being computed
+ * \param[in] lambdaQ            The Coulomb lambda to use when finalizing the output.
  * \returns                           The output object.
  */
 GPU_FUNC_QUALIFIER PmeOutput pme_gpu_getOutput(const gmx_pme_t& GPU_FUNC_ARGUMENT(pme),
-                                               bool GPU_FUNC_ARGUMENT(computeEnergyAndVirial))
+                                               bool GPU_FUNC_ARGUMENT(computeEnergyAndVirial),
+                                               real GPU_FUNC_ARGUMENT(lambdaQ))
         GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(PmeOutput{});
 
 /*! \libinternal \brief
@@ -490,44 +511,6 @@ GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_update_input_box(PmeGpu*      GPU_FUNC_ARGUMENT(
  */
 void pme_gpu_finish_computation(const PmeGpu* pmeGpu);
 
-//! A binary enum for spline data layout transformation
-enum class PmeLayoutTransform
-{
-    GpuToHost,
-    HostToGpu
-};
-
-/*! \libinternal \brief
- * Rearranges the atom spline data between the GPU and host layouts.
- * Only used for test purposes so far, likely to be horribly slow.
- *
- * \param[in]  pmeGpu     The PME GPU structure.
- * \param[out] atc        The PME CPU atom data structure (with a single-threaded layout).
- * \param[in]  type       The spline data type (values or derivatives).
- * \param[in]  dimIndex   Dimension index.
- * \param[in]  transform  Layout transform type
- */
-GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_transform_spline_atom_data(const PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
-                                                           const PmeAtomComm* GPU_FUNC_ARGUMENT(atc),
-                                                           PmeSplineDataType GPU_FUNC_ARGUMENT(type),
-                                                           int GPU_FUNC_ARGUMENT(dimIndex),
-                                                           PmeLayoutTransform GPU_FUNC_ARGUMENT(transform)) GPU_FUNC_TERM;
-
-/*! \libinternal \brief
- * Gets a unique index to an element in a spline parameter buffer (theta/dtheta),
- * which is laid out for GPU spread/gather kernels. The index is wrt the execution block,
- * in range(0, atomsPerBlock * order * DIM).
- * This is a wrapper, only used in unit tests.
- * \param[in] order            PME order
- * \param[in] splineIndex      Spline contribution index (from 0 to \p order - 1)
- * \param[in] dimIndex         Dimension index (from 0 to 2)
- * \param[in] atomIndex        Atom index wrt the block.
- * \param[in] atomsPerWarp     Number of atoms processed by a warp.
- *
- * \returns Index into theta or dtheta array using GPU layout.
- */
-int getSplineParamFullIndex(int order, int splineIndex, int dimIndex, int atomIndex, int atomsPerWarp);
-
 /*! \libinternal \brief
  * Get the normal/padded grid dimensions of the real-space PME grid on GPU. Only used in tests.
  *
@@ -542,13 +525,16 @@ GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_get_real_grid_sizes(const PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUM
 /*! \libinternal \brief
  * (Re-)initializes the PME GPU data at the beginning of the run or on DLB.
  *
- * \param[in,out] pme             The PME structure.
- * \param[in]     deviceInfo      The GPU device information structure.
- * \param[in]     pmeGpuProgram   The PME GPU program data
+ * \param[in,out] pme            The PME structure.
+ * \param[in]     deviceContext  The GPU context.
+ * \param[in]     deviceStream   The GPU stream.
+ * \param[in,out] pmeGpuProgram  The handle to the program/kernel data created outside (e.g. in unit tests/runner)
+ *
  * \throws gmx::NotImplementedError if this generally valid PME structure is not valid for GPU runs.
  */
-GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_reinit(gmx_pme_t*               GPU_FUNC_ARGUMENT(pme),
-                                       const DeviceInformation* GPU_FUNC_ARGUMENT(deviceInfo),
+GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_reinit(gmx_pme_t*           GPU_FUNC_ARGUMENT(pme),
+                                       const DeviceContext* GPU_FUNC_ARGUMENT(deviceContext),
+                                       const DeviceStream*  GPU_FUNC_ARGUMENT(deviceStream),
                                        const PmeGpuProgram* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpuProgram)) GPU_FUNC_TERM;
 
 /*! \libinternal \brief
@@ -563,14 +549,16 @@ GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_destroy(PmeGpu* GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu)) GPU_F
  *
  * \param[in] pmeGpu    The PME GPU structure.
  * \param[in] nAtoms    The number of particles.
- * \param[in] charges   The pointer to the host-side array of particle charges.
+ * \param[in] chargesA  The pointer to the host-side array of particle charges in the unperturbed state or FEP state A.
+ * \param[in] chargesB  The pointer to the host-side array of particle charges in FEP state B.
  *
  * This is a function that should only be called in the beginning of the run and on domain
  * decomposition. Should be called before the pme_gpu_set_io_ranges.
  */
 GPU_FUNC_QUALIFIER void pme_gpu_reinit_atoms(PmeGpu*     GPU_FUNC_ARGUMENT(pmeGpu),
                                              int         GPU_FUNC_ARGUMENT(nAtoms),
-                                             const real* GPU_FUNC_ARGUMENT(charges)) GPU_FUNC_TERM;
+                                             const real* GPU_FUNC_ARGUMENT(chargesA),
+                                             const real* GPU_FUNC_ARGUMENT(chargesB) = nullptr) GPU_FUNC_TERM;
 
 /*! \brief \libinternal
  * The PME GPU reinitialization function that is called both at the end of any PME computation and on any load balancing.
@@ -587,11 +575,13 @@ void pme_gpu_reinit_computation(const PmeGpu* pmeGpu);
  *
  * \param[in]  pme                     The PME data structure.
  * \param[in]  computeEnergyAndVirial  Tells if the energy and virial computation should be performed.
+ * \param[in]  lambdaQ                 The Coulomb lambda to use when calculating the results.
  * \param[out] wcycle                  The wallclock counter.
  * \return                             The output forces, energy and virial
  */
 GPU_FUNC_QUALIFIER PmeOutput pme_gpu_wait_finish_task(gmx_pme_t* GPU_FUNC_ARGUMENT(pme),
                                                       bool GPU_FUNC_ARGUMENT(computeEnergyAndVirial),
+                                                      real           GPU_FUNC_ARGUMENT(lambdaQ),
                                                       gmx_wallcycle* GPU_FUNC_ARGUMENT(wcycle))
         GPU_FUNC_TERM_WITH_RETURN(PmeOutput{});