src/gromacs/mdlib/nbnxn_pairlist.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014, 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 _nbnxn_pairlist_h
  37 #define _nbnxn_pairlist_h
  38
  39 #include "thread_mpi/atomic.h"
  40
  41 #include "gromacs/legacyheaders/types/nblist.h"
  42
  43 #ifdef __cplusplus
  44 extern "C" {
  45 #endif
  46
  47 /* A buffer data structure of 64 bytes
  48  * to be placed at the beginning and end of structs
  49  * to avoid cache invalidation of the real contents
  50  * of the struct by writes to neighboring memory.
  51  */
  52 typedef struct {
  53     int dummy[16];
  54 } gmx_cache_protect_t;
  55
  56 /* Abstract type for pair searching data */
  57 typedef struct nbnxn_search * nbnxn_search_t;
  58
  59 /* Function that should return a pointer *ptr to memory
  60  * of size nbytes.
  61  * Error handling should be done within this function.
  62  */
  63 typedef void nbnxn_alloc_t (void **ptr, size_t nbytes);
  64
  65 /* Function that should free the memory pointed to by *ptr.
  66  * NULL should not be passed to this function.
  67  */
  68 typedef void nbnxn_free_t (void *ptr);
  69
  70 /* This is the actual cluster-pair list j-entry.
  71  * cj is the j-cluster.
  72  * The interaction bits in excl are indexed i-major, j-minor.
  73  * The cj entries are sorted such that ones with exclusions come first.
  74  * This means that once a full mask (=NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
  75  * is found, all subsequent j-entries in the i-entry also have full masks.
  76  */
  77 typedef struct {
  78     int          cj;    /* The j-cluster                    */
  79     unsigned int excl;  /* The exclusion (interaction) bits */
  80     /* Indices into the arrays of SIMD interaction masks. */
  81     char         interaction_mask_indices[4];
  82 } nbnxn_cj_t;
  83
  84 /* In nbnxn_ci_t the integer shift contains the shift in the lower 7 bits.
  85  * The upper bits contain information for non-bonded kernel optimization.
  86  * Simply calculating LJ and Coulomb for all pairs in a cluster pair is fine.
  87  * But three flags can be used to skip interactions, currently only for subc=0
  88  * !(shift & NBNXN_CI_DO_LJ(subc))   => we can skip LJ for all pairs
  89  * shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(subc)    => we can skip LJ for the second half of i
  90  * !(shift & NBNXN_CI_DO_COUL(subc)) => we can skip Coulomb for all pairs
  91  */
  92 #define NBNXN_CI_SHIFT          127
  93 #define NBNXN_CI_DO_LJ(subc)    (1<<(7+3*(subc)))
  94 #define NBNXN_CI_HALF_LJ(subc)  (1<<(8+3*(subc)))
  95 #define NBNXN_CI_DO_COUL(subc)  (1<<(9+3*(subc)))
  96
  97 /* Simple pair-list i-unit */
  98 typedef struct {
  99     int ci;             /* i-cluster             */
 100     int shift;          /* Shift vector index plus possible flags, see above */
 101     int cj_ind_start;   /* Start index into cj   */
 102     int cj_ind_end;     /* End index into cj     */
 103 } nbnxn_ci_t;
 104
 105 /* Grouped pair-list i-unit */
 106 typedef struct {
 107     int sci;            /* i-super-cluster       */
 108     int shift;          /* Shift vector index plus possible flags */
 109     int cj4_ind_start;  /* Start index into cj4  */
 110     int cj4_ind_end;    /* End index into cj4    */
 111 } nbnxn_sci_t;
 112
 113 typedef struct {
 114     unsigned int imask;    /* The i-cluster interactions mask for 1 warp  */
 115     int          excl_ind; /* Index into the exclusion array for 1 warp   */
 116 } nbnxn_im_ei_t;
 117
 118 typedef struct {
 119     int           cj[4];   /* The 4 j-clusters                            */
 120     nbnxn_im_ei_t imei[2]; /* The i-cluster mask data       for 2 warps   */
 121 } nbnxn_cj4_t;
 122
 123 typedef struct {
 124     unsigned int pair[32]; /* Topology exclusion interaction bits for one warp,
 125                             * each unsigned has bitS for 4*8 i clusters
 126                             */
 127 } nbnxn_excl_t;
 128
 129 typedef struct nbnxn_pairlist_t {
 130     gmx_cache_protect_t cp0;
 131
 132     nbnxn_alloc_t      *alloc;
 133     nbnxn_free_t       *free;
 134
 135     gmx_bool            bSimple;         /* Simple list has na_sc=na_s and uses cj   *
 136                                           * Complex list uses cj4                    */
 137
 138     int                     na_ci;       /* The number of atoms per i-cluster        */
 139     int                     na_cj;       /* The number of atoms per j-cluster        */
 140     int                     na_sc;       /* The number of atoms per super cluster    */
 141     real                    rlist;       /* The radius for constructing the list     */
 142     int                     nci;         /* The number of i-clusters in the list     */
 143     nbnxn_ci_t             *ci;          /* The i-cluster list, size nci             */
 144     int                     ci_nalloc;   /* The allocation size of ci                */
 145     int                     nsci;        /* The number of i-super-clusters in the list */
 146     nbnxn_sci_t            *sci;         /* The i-super-cluster list                 */
 147     int                     sci_nalloc;  /* The allocation size of sci               */
 148
 149     int                     ncj;         /* The number of j-clusters in the list     */
 150     nbnxn_cj_t             *cj;          /* The j-cluster list, size ncj             */
 151     int                     cj_nalloc;   /* The allocation size of cj                */
 152
 153     int                     ncj4;        /* The total number of 4*j clusters         */
 154     nbnxn_cj4_t            *cj4;         /* The 4*j cluster list, size ncj4          */
 155     int                     cj4_nalloc;  /* The allocation size of cj4               */
 156     int                     nexcl;       /* The count for excl                       */
 157     nbnxn_excl_t           *excl;        /* Atom interaction bits (non-exclusions)   */
 158     int                     excl_nalloc; /* The allocation size for excl             */
 159     int                     nci_tot;     /* The total number of i clusters           */
 160
 161     struct nbnxn_list_work *work;
 162
 163     gmx_cache_protect_t     cp1;
 164 } nbnxn_pairlist_t;
 165
 166 typedef struct {
 167     int                nnbl;        /* number of lists */
 168     nbnxn_pairlist_t **nbl;         /* lists */
 169     gmx_bool           bCombined;   /* TRUE if lists get combined into one (the 1st) */
 170     gmx_bool           bSimple;     /* TRUE if the list of of type "simple"
 171                                        (na_sc=na_s, no super-clusters used) */
 172     int                natpair_ljq; /* Total number of atom pairs for LJ+Q kernel */
 173     int                natpair_lj;  /* Total number of atom pairs for LJ kernel   */
 174     int                natpair_q;   /* Total number of atom pairs for Q kernel    */
 175     t_nblist         **nbl_fep;
 176 } nbnxn_pairlist_set_t;
 177
 178 enum {
 179     nbatXYZ, nbatXYZQ, nbatX4, nbatX8
 180 };
 181
 182 typedef struct {
 183     real *f;      /* f, size natoms*fstride                             */
 184     real *fshift; /* Shift force array, size SHIFTS*DIM                 */
 185     int   nV;     /* The size of *Vvdw and *Vc                          */
 186     real *Vvdw;   /* Temporary Van der Waals group energy storage       */
 187     real *Vc;     /* Temporary Coulomb group energy storage             */
 188     int   nVS;    /* The size of *VSvdw and *VSc                        */
 189     real *VSvdw;  /* Temporary SIMD Van der Waals group energy storage  */
 190     real *VSc;    /* Temporary SIMD Coulomb group energy storage        */
 191 } nbnxn_atomdata_output_t;
 192
 193 /* Block size in atoms for the non-bonded thread force-buffer reduction,
 194  * should be a multiple of all cell and x86 SIMD sizes (i.e. 2, 4 and 8).
 195  * Should be small to reduce the reduction and zeroing cost,
 196  * but too small will result in overhead.
 197  * Currently the block size is NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*3*sizeof(real)=192 bytes.
 198  */
 199 #ifdef GMX_DOUBLE
 200 #define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE   8
 201 #else
 202 #define NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE  16
 203 #endif
 204
 205 /* We currently store the reduction flags as bits in an unsigned int.
 206  * In most cases this limits the number of flags to 32.
 207  * The reduction will automatically disable the flagging and do a full
 208  * reduction when the flags won't fit, but this will lead to very slow
 209  * reduction. As we anyhow don't expect reasonable performance with
 210  * more than 32 threads, we put in this hard limit.
 211  * You can increase this number, but the reduction will be very slow.
 212  */
 213 #define NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS  32
 214
 215 /* Flags for telling if threads write to force output buffers */
 216 typedef struct {
 217     int           nflag;       /* The number of flag blocks                         */
 218     unsigned int *flag;        /* Bit i is set when thread i writes to a cell-block */
 219     int           flag_nalloc; /* Allocation size of cxy_flag                       */
 220 } nbnxn_buffer_flags_t;
 221
 222 /* LJ combination rules: geometric, Lorentz-Berthelot, none */
 223 enum {
 224     ljcrGEOM, ljcrLB, ljcrNONE, ljcrNR
 225 };
 226
 227 typedef struct nbnxn_atomdata_t {
 228     nbnxn_alloc_t           *alloc;
 229     nbnxn_free_t            *free;
 230     int                      ntype;           /* The number of different atom types                 */
 231     real                    *nbfp;            /* Lennard-Jones 6*C6 and 12*C12 params, size ntype^2*2 */
 232     int                      comb_rule;       /* Combination rule, see enum above                   */
 233     real                    *nbfp_comb;       /* LJ parameter per atom type, size ntype*2           */
 234     real                    *nbfp_s4;         /* As nbfp, but with stride 4, size ntype^2*4. This
 235                                                * might suit 4-wide SIMD loads of two values (e.g.
 236                                                * two floats in single precision on x86).            */
 237     int                      natoms;          /* Number of atoms                                    */
 238     int                      natoms_local;    /* Number of local atoms                           */
 239     int                     *type;            /* Atom types                                         */
 240     real                    *lj_comb;         /* LJ parameters per atom for combining for pairs     */
 241     int                      XFormat;         /* The format of x (and q), enum                      */
 242     int                      FFormat;         /* The format of f, enum                              */
 243     real                    *q;               /* Charges, can be NULL if incorporated in x          */
 244     int                      na_c;            /* The number of atoms per cluster                    */
 245     int                      nenergrp;        /* The number of energy groups                        */
 246     int                      neg_2log;        /* Log2 of nenergrp                                   */
 247     int                     *energrp;         /* The energy groups per cluster, can be NULL         */
 248     gmx_bool                 bDynamicBox;     /* Do we need to update shift_vec every step?    */
 249     rvec                    *shift_vec;       /* Shift vectors, copied from t_forcerec              */
 250     int                      xstride;         /* stride for a coordinate in x (usually 3 or 4)      */
 251     int                      fstride;         /* stride for a coordinate in f (usually 3 or 4)      */
 252     real                    *x;               /* x and possibly q, size natoms*xstride              */
 253
 254     /* j-atom minus i-atom index for generating self and Newton exclusions
 255      * cluster-cluster pairs of the diagonal, for 4xn and 2xnn kernels.
 256      */
 257     real                    *simd_4xn_diagonal_j_minus_i;
 258     real                    *simd_2xnn_diagonal_j_minus_i;
 259     /* Filters for topology exclusion masks for the SIMD kernels.
 260      * filter2 is the same as filter1, but with each element duplicated.
 261      */
 262     unsigned int            *simd_exclusion_filter1;
 263     unsigned int            *simd_exclusion_filter2;
 264     real                    *simd_interaction_array; /* Array of masks needed for exclusions on QPX */
 265     int                      nout;                   /* The number of force arrays                         */
 266     nbnxn_atomdata_output_t *out;                    /* Output data structures               */
 267     int                      nalloc;                 /* Allocation size of all arrays (for x/f *x/fstride) */
 268     gmx_bool                 bUseBufferFlags;        /* Use the flags or operate on all atoms     */
 269     nbnxn_buffer_flags_t     buffer_flags;           /* Flags for buffer zeroing+reduc.  */
 270     gmx_bool                 bUseTreeReduce;         /* Use tree for force reduction */
 271     tMPI_Atomic_t           *syncStep;               /* Synchronization step for tree reduce */
 272 } nbnxn_atomdata_t;
 273
 274 #ifdef __cplusplus
 275 }
 276 #endif
 277
 278 #endif