Balance event consumption for GPU update code path
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / mdtypes / state_propagator_data_gpu.h
index ff43c4a807c6f03e920c6d1105b4d32f02682c1b..4cf4c7998d28a915907fbc4d1f65c596db643d1e 100644 (file)
@@ -1,7 +1,7 @@
 /*
  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
  *
- * Copyright (c) 2019, by the GROMACS development team, led by
+ * Copyright (c) 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.
 #ifndef GMX_MDTYPES_STATE_PROPAGATOR_DATA_GPU_H
 #define GMX_MDTYPES_STATE_PROPAGATOR_DATA_GPU_H
 
+#include <memory>
+#include <tuple>
+
 #include "gromacs/gpu_utils/devicebuffer_datatype.h"
 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
 #include "gromacs/math/vectypes.h"
+#include "gromacs/mdtypes/simulation_workload.h"
 #include "gromacs/utility/arrayref.h"
 #include "gromacs/utility/classhelpers.h"
 
+#include "locality.h"
+
+class DeviceContext;
+class DeviceStream;
+class GpuEventSynchronizer;
+struct gmx_wallcycle;
+
 namespace gmx
 {
+class DeviceStreamManager;
 
 class StatePropagatorDataGpu
 {
-    public:
-
-        /*! \brief Atom locality indicator: local, non-local, all.
-         *
-         * \todo This should be managed by a separate object, since the localities
-         *       are used here and in buffer ops.
-         */
-        enum class AtomLocality : int
-        {
-            Local    = 0, //!< Local atoms
-            NonLocal = 1, //!< Non-local atoms
-            All      = 2, //!< Both local and non-local atoms
-            Count    = 3  //!< The number of atom locality types
-        };
-
-        /*! \brief Constructor
-         *
-         * The buffers are reallocated only at the reinit call, the padding is
-         * used there for the coordinates buffer. It is needed for PME and added at
-         * the end of the buffer. It is assumed that if the rank has PME duties on the
-         * GPU, all coordinates are copied to the GPU and hence, for this rank, the
-         * coordinates buffer is not split into local and non-local ranges. For other
-         * ranks, the padding size is zero. This works because only one rank ever does
-         * PME work on the GPU, and if that rank also does PP work that is the only
-         * rank. So all coordinates are always transferred.
-         *
-         * \note \p commandStream and \p deviceContext are allowed to be nullptr if
-         *       StatePropagatorDataGpu is not used in the OpenCL run (e.g. if PME
-         *       does not run on the GPU).
-         *
-         * \todo A CommandStream is now visible in the CPU parts of the code so we
-         *       can stop passing a void*.
-         * \todo A DeviceContext object is visible in CPU parts of the code so we
-         *       can stop passing a void*.
-         *
-         *  \param[in] pmeStream       Device PME stream, nullptr allowed.
-         *  \param[in] localStream     Device NBNXM local stream, nullptr allowed.
-         *  \param[in] nonLocalStream  Device NBNXM non-local stream, nullptr allowed.
-         *  \param[in] deviceContext   Device context, nullptr allowed.
-         *  \param[in] transferKind    H2D/D2H transfer call behavior (synchronous or not).
-         *  \param[in] paddingSize     Padding size for coordinates buffer.
-         */
-        StatePropagatorDataGpu(const void        *pmeStream,
-                               const void        *localStream,
-                               const void        *nonLocalStream,
-                               const void        *deviceContext,
-                               GpuApiCallBehavior transferKind,
-                               int                paddingSize);
-        //! Move constructor
-        StatePropagatorDataGpu(StatePropagatorDataGpu &&other) noexcept;
-        //! Move assignment
-        StatePropagatorDataGpu &operator=(StatePropagatorDataGpu &&other) noexcept;
-        //! Destructor
-        ~StatePropagatorDataGpu();
-
-        /*! \brief Set the ranges for local and non-local atoms and reallocates buffers.
-         *
-         * The coordinates buffer is reallocated with the padding added at the end. The
-         * size of padding is set by the constructor.
-         *
-         *  \param[in] numAtomsLocal  Number of atoms in local domain.
-         *  \param[in] numAtomsAll    Total number of atoms to handle.
-         */
-        void reinit(int numAtomsLocal, int numAtomsAll);
-
-        /*! \brief Returns the range of atoms to be copied based on the copy type (all, local or non-local).
-         *
-         * \todo There are at least three versions of the function with this functionality in the code:
-         *       this one and two more in NBNXM. These should be unified in a shape of a general function
-         *       in DD.
-         *
-         * \param[in]  atomLocality    If all, local or non-local ranges are needed.
-         *
-         * \returns Tuple, containing the index of the first atom in the range and the total number of atoms in the range.
-         */
-        std::tuple<int, int> getAtomRangesFromAtomLocality(AtomLocality  atomLocality);
-
-
-        /*! \brief Get the positions buffer on the GPU.
-         *
-         *  \returns GPU positions buffer.
-         */
-        DeviceBuffer<float> getCoordinates();
-
-        /*! \brief Copy positions to the GPU memory.
-         *
-         *  \param[in] h_x           Positions in the host memory.
-         *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
-         */
-        void copyCoordinatesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  h_x,
-                                  AtomLocality                    atomLocality);
-
-        /*! \brief Copy positions from the GPU memory.
-         *
-         *  \param[in] h_x           Positions buffer in the host memory.
-         *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
-         */
-        void copyCoordinatesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  h_x,
-                                    AtomLocality              atomLocality);
-
-
-        /*! \brief Get the velocities buffer on the GPU.
-         *
-         *  \returns GPU velocities buffer.
-         */
-        DeviceBuffer<float> getVelocities();
-
-        /*! \brief Copy velocities to the GPU memory.
-         *
-         *  \param[in] h_v           Velocities in the host memory.
-         *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
-         */
-        void copyVelocitiesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  h_v,
-                                 AtomLocality                    atomLocality);
-
-        /*! \brief Copy velocities from the GPU memory.
-         *
-         *  \param[in] h_v           Velocities buffer in the host memory.
-         *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
-         */
-        void copyVelocitiesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  h_v,
-                                   AtomLocality              atomLocality);
-
-
-        /*! \brief Get the force buffer on the GPU.
-         *
-         *  \returns GPU force buffer.
-         */
-        DeviceBuffer<float> getForces();
-
-        /*! \brief Copy forces to the GPU memory.
-         *
-         *  \param[in] h_f           Forces in the host memory.
-         *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
-         */
-        void copyForcesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec>  h_f,
-                             AtomLocality                    atomLocality);
-
-        /*! \brief Copy forces from the GPU memory.
-         *
-         *  \param[in] h_f           Forces buffer in the host memory.
-         *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
-         */
-        void copyForcesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec>  h_f,
-                               AtomLocality              atomLocality);
-
-        /*! \brief Getter for the update stream.
-         *
-         *  \todo This is temporary here, until the management of this stream is taken over.
-         *
-         *  \returns The device command stream to use in update-constraints.
-         */
-        void* getUpdateStream();
-
-        /*! \brief Getter for the number of local atoms.
-         *
-         *  \returns The number of local atoms.
-         */
-        int numAtomsLocal();
-
-        /*! \brief Getter for the total number of atoms.
-         *
-         *  \returns The total number of atoms.
-         */
-        int numAtomsAll();
-
-    private:
-        class Impl;
-        gmx::PrivateImplPointer<Impl> impl_;
-        GMX_DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(StatePropagatorDataGpu);
+public:
+    /*! \brief Constructor
+     *
+     * The buffers are reallocated only at the reinit call, the padding is
+     * used there for the coordinates buffer. It is needed for PME and added at
+     * the end of the buffer. It is assumed that if the rank has PME duties on the
+     * GPU, all coordinates are copied to the GPU and hence, for this rank, the
+     * coordinates buffer is not split into local and non-local ranges. For other
+     * ranks, the padding size is zero. This works because only one rank ever does
+     * PME work on the GPU, and if that rank also does PP work that is the only
+     * rank. So all coordinates are always transferred.
+     *
+     * In OpenCL, only pmeStream is used since it is the only stream created in
+     * PME context. The local and non-local streams are only needed when buffer
+     * ops are offloaded. This feature is currently not available in OpenCL and
+     * hence these streams are not set in these builds.
+     *
+     *  \param[in] deviceStreamManager         Object that owns the DeviceContext and DeviceStreams.
+     *  \param[in] transferKind                H2D/D2H transfer call behavior (synchronous or not).
+     *  \param[in] allocationBlockSizeDivisor  Deterines padding size for coordinates buffer.
+     *  \param[in] wcycle                      Wall cycle counter data.
+     */
+    StatePropagatorDataGpu(const DeviceStreamManager& deviceStreamManager,
+                           GpuApiCallBehavior         transferKind,
+                           int                        allocationBlockSizeDivisor,
+                           gmx_wallcycle*             wcycle);
+
+    /*! \brief Constructor to use in PME-only rank and in tests.
+     *
+     *  This constructor should be used if only a coordinate device buffer should be managed
+     *  using a single stream. Any operation on force or velocity buffer as well as copy of
+     *  non-local coordinates will exit with assertion failure. Note, that the pmeStream can
+     *  not be a nullptr and the constructor will exit with an assertion failure.
+     *
+     *  \todo Currently, unsupported copy operations are blocked by assertion that the stream
+     *        not nullptr. This should be improved.
+     *
+     *  \param[in] pmeStream       Device PME stream, nullptr is not allowed.
+     *  \param[in] deviceContext   Device context, nullptr allowed for non-OpenCL builds.
+     *  \param[in] transferKind    H2D/D2H transfer call behavior (synchronous or not).
+     *  \param[in] allocationBlockSizeDivisor Determines padding size for coordinates buffer.
+     *  \param[in] wcycle          Wall cycle counter data.
+     */
+    StatePropagatorDataGpu(const DeviceStream*  pmeStream,
+                           const DeviceContext& deviceContext,
+                           GpuApiCallBehavior   transferKind,
+                           int                  allocationBlockSizeDivisor,
+                           gmx_wallcycle*       wcycle);
+
+    //! Move constructor
+    StatePropagatorDataGpu(StatePropagatorDataGpu&& other) noexcept;
+    //! Move assignment
+    StatePropagatorDataGpu& operator=(StatePropagatorDataGpu&& other) noexcept;
+    //! Destructor
+    ~StatePropagatorDataGpu();
+
+    /*! \brief Set the ranges for local and non-local atoms and reallocates buffers.
+     *
+     * Reallocates coordinate, velocities and force buffers on the device.
+     *
+     * \note
+     * The coordinates buffer is (re)allocated, when required by PME, with a padding,
+     * the size of which is set by the constructor. The padding region clearing kernel
+     * is scheduled in the \p pmeStream_ (unlike the coordinates H2D) as only the PME
+     * task uses this padding area.
+     *
+     * \note
+     * The force buffer is cleared if its size increases, so that previously unused
+     * memory is cleared before forces are accumulated.
+     *
+     *  \param[in] numAtomsLocal  Number of atoms in local domain.
+     *  \param[in] numAtomsAll    Total number of atoms to handle.
+     */
+    void reinit(int numAtomsLocal, int numAtomsAll);
+
+    /*! \brief Returns the range of atoms to be copied based on the copy type (all, local or non-local).
+     *
+     * \todo There are at least three versions of the function with this functionality in the code:
+     *       this one and two more in NBNXM. These should be unified in a shape of a general function
+     *       in DD.
+     *
+     * \param[in]  atomLocality    If all, local or non-local ranges are needed.
+     *
+     * \returns Tuple, containing the index of the first atom in the range and the total number of atoms in the range.
+     */
+    std::tuple<int, int> getAtomRangesFromAtomLocality(AtomLocality atomLocality) const;
+
+
+    /*! \brief Get the positions buffer on the GPU.
+     *
+     *  \returns GPU positions buffer.
+     */
+    DeviceBuffer<RVec> getCoordinates();
+
+    /*! \brief Copy positions to the GPU memory.
+     *
+     * Use \ref getCoordinatesReadyOnDeviceEvent to get the associated event synchronizer or
+     * \ref waitCoordinatesCopiedToDevice to wait for the copy completion.
+     * Note: the event is not marked in OpenCL, because it is not used.
+     *
+     *  \param[in] h_x           Positions in the host memory.
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
+     */
+    void copyCoordinatesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> h_x, AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Get the event synchronizer of the coordinates ready for the consumption on the device.
+     *
+     * Returns the event synchronizer which indicates that the coordinates are ready for the
+     * consumption on the device. Takes into account that the producer may be different.
+     *
+     * If the update is offloaded, and the current step is not a DD/search step, the returned
+     * synchronizer indicates the completion of GPU update-constraint kernels. Otherwise, on search
+     * steps and if update is not offloaded, the coordinates are provided by the H2D copy and the
+     * returned synchronizer indicates that the copy is complete.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality              Locality of the particles to wait for.
+     *  \param[in] simulationWork            The simulation lifetime flags.
+     *  \param[in] stepWork                  The step lifetime flags.
+     *  \param[in] gpuCoordinateHaloLaunched Event recorded when GPU coordinate halo has been launched.
+     *
+     *  \returns  The event to synchronize the stream that consumes coordinates on device.
+     */
+    GpuEventSynchronizer* getCoordinatesReadyOnDeviceEvent(AtomLocality              atomLocality,
+                                                           const SimulationWorkload& simulationWork,
+                                                           const StepWorkload&       stepWork,
+                                                           GpuEventSynchronizer* gpuCoordinateHaloLaunched = nullptr);
+
+    /*! \brief Blocking wait until coordinates are copied to the device.
+     *
+     * Synchronizes the stream in which the copy was executed.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
+     */
+    void waitCoordinatesCopiedToDevice(AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Consume the event for copying coordinates to the device.
+     *
+     * Used for manual event consumption. Does nothing except changing the internal event counter.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles.
+     */
+    void consumeCoordinatesCopiedToDeviceEvent(AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Reset the event for copying coordinates to the device.
+     *
+     * Used for manual event consumption. Does nothing except resetting the event.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles.
+     */
+    void resetCoordinatesCopiedToDeviceEvent(AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Setter for the event synchronizer for the update is done on th GPU
+     *
+     *  \param[in] xUpdatedOnDeviceEvent  The event to synchronize the stream coordinates wre updated on device.
+     */
+    void setXUpdatedOnDeviceEvent(GpuEventSynchronizer* xUpdatedOnDeviceEvent);
+
+    /*! \brief Copy positions from the GPU memory, with an optional explicit dependency.
+     *
+     *  \param[in] h_x           Positions buffer in the host memory.
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
+     *  \param[in] dependency    Dependency event for this operation.
+     */
+    void copyCoordinatesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec> h_x,
+                                AtomLocality             atomLocality,
+                                GpuEventSynchronizer*    dependency = nullptr);
+
+    /*! \brief Wait until coordinates are available on the host.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
+     */
+    void waitCoordinatesReadyOnHost(AtomLocality atomLocality);
+
+
+    /*! \brief Get the velocities buffer on the GPU.
+     *
+     *  \returns GPU velocities buffer.
+     */
+    DeviceBuffer<RVec> getVelocities();
+
+    /*! \brief Copy velocities to the GPU memory.
+     *
+     * Does not mark any event, because we don't use it anywhere at the moment.
+     *
+     *  \param[in] h_v           Velocities in the host memory.
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
+     */
+    void copyVelocitiesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> h_v, AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Copy velocities from the GPU memory.
+     *
+     *  \param[in] h_v           Velocities buffer in the host memory.
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
+     */
+    void copyVelocitiesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec> h_v, AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Wait until velocities are available on the host.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
+     */
+    void waitVelocitiesReadyOnHost(AtomLocality atomLocality);
+
+
+    /*! \brief Get the force buffer on the GPU.
+     *
+     *  \returns GPU force buffer.
+     */
+    DeviceBuffer<RVec> getForces();
+
+    /*! \brief Copy forces to the GPU memory.
+     *
+     *  \param[in] h_f           Forces in the host memory.
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
+     */
+    void copyForcesToGpu(gmx::ArrayRef<const gmx::RVec> h_f, AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Clear forces in the GPU memory.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to clear.
+     *  \param[in] dependency    Dependency event for this operation.
+     */
+    void clearForcesOnGpu(AtomLocality atomLocality, GpuEventSynchronizer* dependency);
+
+    /*! \brief Get the event synchronizer for the forces ready on device.
+     *
+     *  Returns either of the event synchronizers, depending on the offload scenario
+     *  for the current simulation timestep:
+     *  1. The forces are copied to the device (when GPU buffer ops are off)
+     *  2. The forces are reduced on the device (GPU buffer ops are on)
+     *
+     *  \param[in] stepWork        Step workload flags
+     *  \param[in] simulationWork  Simulation workload flags
+     *
+     *  \returns  The event to synchronize the stream that consumes forces on device.
+     */
+    GpuEventSynchronizer* getLocalForcesReadyOnDeviceEvent(StepWorkload       stepWork,
+                                                           SimulationWorkload simulationWork);
+
+    /*! \brief Getter for the event synchronizer for the forces are reduced on the GPU.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality      Locality of the particles to wait for.
+     *  \returns                     The event to mark when forces are reduced on the GPU.
+     */
+    GpuEventSynchronizer* fReducedOnDevice(AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Consume the event for when the forces are reduced on the GPU.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality      Locality of the particles to wait for.
+     */
+    void consumeForcesReducedOnDeviceEvent(AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Getter for the event synchronizer for the forces are ready on the GPU.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality      Locality of the particles to wait for.
+     *  \returns                     The event to mark when forces are ready on the GPU.
+     */
+    GpuEventSynchronizer* fReadyOnDevice(AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Copy forces from the GPU memory.
+     *
+     *  \param[in] h_f           Forces buffer in the host memory.
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to copy.
+     */
+    void copyForcesFromGpu(gmx::ArrayRef<gmx::RVec> h_f, AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Wait until forces are available on the host.
+     *
+     *  \param[in] atomLocality  Locality of the particles to wait for.
+     */
+    void waitForcesReadyOnHost(AtomLocality atomLocality);
+
+    /*! \brief Getter for the update stream.
+     *
+     *  \todo This is temporary here, until the management of this stream is taken over.
+     *
+     *  \returns The device command stream to use in update-constraints.
+     */
+    const DeviceStream* getUpdateStream();
+
+    /*! \brief Getter for the number of local atoms.
+     *
+     *  \returns The number of local atoms.
+     */
+    int numAtomsLocal() const;
+
+    /*! \brief Getter for the total number of atoms.
+     *
+     *  \returns The total number of atoms.
+     */
+    int numAtomsAll() const;
+
+private:
+    class Impl;
+    std::unique_ptr<Impl> impl_;
+    GMX_DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(StatePropagatorDataGpu);
 };
 
-}      // namespace gmx
+} // namespace gmx
 
 #endif // GMX_MDTYPES_STATE_PROPAGATOR_DATA_GPU_H