src/gromacs/mdlib/perf_est.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2008, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2012,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "gromacs/legacyheaders/perf_est.h"
  40
  41 #include <cmath>
  42
  43 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  44 #include "gromacs/math/vec.h"
  45 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_consts.h"
  46 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
  47 #include "gromacs/topology/topology.h"
  48 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  49
  50 /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
  51  * This will be machine dependent.
  52  * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
  53  * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
  54  * although not so much that the numbers need to be adjusted.
  55  */
  56
  57 /* Cost of a pair interaction in the "group" cut-off scheme */
  58 #define C_GR_FQ        1.5
  59 #define C_GR_QLJ_CUT   1.5
  60 #define C_GR_QLJ_TAB   2.0
  61 #define C_GR_LJ_CUT    1.0
  62 #define C_GR_LJ_TAB    1.75
  63 /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
  64 #define C_GR_QLJW_CUT  2.0
  65 #define C_GR_QLJW_TAB  2.25
  66 /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
  67 #define C_GR_QW        1.75
  68
  69 /* Cost of a pair interaction in the "Verlet" cut-off scheme, QEXP is Ewald */
  70 #define C_VT_LJ        0.30
  71 #define C_VT_QRF_LJ    0.40
  72 #define C_VT_QRF       0.30
  73 #define C_VT_QEXP_LJ   0.55
  74 #define C_VT_QEXP      0.50
  75 /* Extra cost for expensive LJ interaction, e.g. pot-switch or LJ-PME */
  76 #define C_VT_LJEXP_ADD 0.20
  77
  78 /* Cost of PME, with all components running with SSE instructions */
  79 /* Cost of particle reordering and redistribution */
  80 #define C_PME_REDIST  12.0
  81 /* Cost of q spreading and force interpolation per charge (mainly memory) */
  82 #define C_PME_SPREAD  0.30
  83 /* Cost of fft's, will be multiplied with N log(N) */
  84 #define C_PME_FFT     0.20
  85 /* Cost of pme_solve, will be multiplied with N */
  86 #define C_PME_SOLVE   0.50
  87
  88 /* Cost of a bonded interaction divided by the number of (pbc_)dx nrequired */
  89 #define C_BOND        5.0
  90
  91 int n_bonded_dx(gmx_mtop_t *mtop, gmx_bool bExcl)
  92 {
  93     int            mb, nmol, ftype, ndxb, ndx_excl;
  94     int            ndx;
  95     gmx_moltype_t *molt;
  96
  97     /* Count the number of pbc_rvec_sub calls required for bonded interactions.
  98      * This number is also roughly proportional to the computational cost.
  99      */
 100     ndx      = 0;
 101     ndx_excl = 0;
 102 #if defined _ICC && __ICC == 1400 || defined __ICL && __ICL == 1400
 103 #pragma novector /* Work-around for incorrect vectorization */
 104 #endif
 105     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 106     {
 107         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 108         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 109         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 110         {
 111             if (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND)
 112             {
 113                 switch (ftype)
 114                 {
 115                     case F_POSRES:
 116                     case F_FBPOSRES:  ndxb = 1; break;
 117                     case F_CONNBONDS: ndxb = 0; break;
 118                     default:     ndxb      = NRAL(ftype) - 1; break;
 119                 }
 120                 ndx += nmol*ndxb*molt->ilist[ftype].nr/(1 + NRAL(ftype));
 121             }
 122         }
 123         if (bExcl)
 124         {
 125             ndx_excl += nmol*(molt->excls.nra - molt->atoms.nr)/2;
 126         }
 127         else
 128         {
 129             ndx_excl = 0;
 130         }
 131     }
 132
 133     if (debug)
 134     {
 135         fprintf(debug, "ndx bonded %d exclusions %d\n", ndx, ndx_excl);
 136     }
 137
 138     ndx += ndx_excl;
 139
 140     return ndx;
 141 }
 142
 143 static void pp_group_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 144                           int *nq_tot, int *nlj_tot,
 145                           double *cost_pp,
 146                           gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 147 {
 148     t_atom        *atom;
 149     int            mb, nmol, atnr, cg, a, a0, ncqlj, ncq, nclj;
 150     gmx_bool       bBHAM, bLJcut, bWater, bQ, bLJ;
 151     int            nw, nqlj, nq, nlj;
 152     float          fq, fqlj, flj, fqljw, fqw;
 153     t_iparams     *iparams;
 154     gmx_moltype_t *molt;
 155
 156     bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
 157
 158     bLJcut = ((ir->vdwtype == evdwCUT) && !bBHAM);
 159
 160     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 161      * This will be machine dependent.
 162      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 163      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 164      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 165      */
 166     fq    = C_GR_FQ;
 167     fqlj  = (bLJcut ? C_GR_QLJ_CUT : C_GR_QLJ_TAB);
 168     flj   = (bLJcut ? C_GR_LJ_CUT  : C_GR_LJ_TAB);
 169     /* Cost of 1 water with one Q/LJ atom */
 170     fqljw = (bLJcut ? C_GR_QLJW_CUT : C_GR_QLJW_TAB);
 171     /* Cost of 1 water with one Q atom or with 1/3 water (LJ negligible) */
 172     fqw   = C_GR_QW;
 173
 174     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 175     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 176     nw                = 0;
 177     nqlj              = 0;
 178     nq                = 0;
 179     nlj               = 0;
 180     *bChargePerturbed = FALSE;
 181     *bTypePerturbed   = FALSE;
 182     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 183     {
 184         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 185         atom = molt->atoms.atom;
 186         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 187         a    = 0;
 188         for (cg = 0; cg < molt->cgs.nr; cg++)
 189         {
 190             bWater = !bBHAM;
 191             ncqlj  = 0;
 192             ncq    = 0;
 193             nclj   = 0;
 194             a0     = a;
 195             while (a < molt->cgs.index[cg+1])
 196             {
 197                 bQ  = (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0);
 198                 bLJ = (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 199                        iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0);
 200                 if (atom[a].q != atom[a].qB)
 201                 {
 202                     *bChargePerturbed = TRUE;
 203                 }
 204                 if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 205                 {
 206                     *bTypePerturbed = TRUE;
 207                 }
 208                 /* This if this atom fits into water optimization */
 209                 if (!((a == a0   &&  bQ &&  bLJ) ||
 210                       (a == a0+1 &&  bQ && !bLJ) ||
 211                       (a == a0+2 &&  bQ && !bLJ && atom[a].q == atom[a-1].q) ||
 212                       (a == a0+3 && !bQ &&  bLJ)))
 213                 {
 214                     bWater = FALSE;
 215                 }
 216                 if (bQ && bLJ)
 217                 {
 218                     ncqlj++;
 219                 }
 220                 else
 221                 {
 222                     if (bQ)
 223                     {
 224                         ncq++;
 225                     }
 226                     if (bLJ)
 227                     {
 228                         nclj++;
 229                     }
 230                 }
 231                 a++;
 232             }
 233             if (bWater)
 234             {
 235                 nw   += nmol;
 236             }
 237             else
 238             {
 239                 nqlj += nmol*ncqlj;
 240                 nq   += nmol*ncq;
 241                 nlj  += nmol*nclj;
 242             }
 243         }
 244     }
 245
 246     *nq_tot  = nq  + nqlj + nw*3;
 247     *nlj_tot = nlj + nqlj + nw;
 248
 249     if (debug)
 250     {
 251         fprintf(debug, "nw %d nqlj %d nq %d nlj %d\n", nw, nqlj, nq, nlj);
 252     }
 253
 254     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 255      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 256      * Factor 3 is used because a water molecule has 3 atoms
 257      * (and TIP4P effectively has 3 interactions with (water) atoms)).
 258      */
 259     *cost_pp = 0.5*(fqljw*nw*nqlj +
 260                     fqw  *nw*(3*nw + nq) +
 261                     fqlj *nqlj*nqlj +
 262                     fq   *nq*(3*nw + nqlj + nq) +
 263                     flj  *nlj*(nw + nqlj + nlj))
 264         *4/3*M_PI*ir->rlist*ir->rlist*ir->rlist/det(box);
 265 }
 266
 267 static void pp_verlet_load(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box,
 268                            int *nq_tot, int *nlj_tot,
 269                            double *cost_pp,
 270                            gmx_bool *bChargePerturbed, gmx_bool *bTypePerturbed)
 271 {
 272     t_atom        *atom;
 273     int            mb, nmol, atnr, a, nqlj, nq, nlj;
 274     gmx_bool       bQRF;
 275     t_iparams     *iparams;
 276     gmx_moltype_t *molt;
 277     real           r_eff;
 278     double         c_qlj, c_q, c_lj;
 279     double         nat;
 280     /* Conversion factor for reference vs SIMD kernel performance.
 281      * The factor is about right for SSE2/4, but should be 2 higher for AVX256.
 282      */
 283 #ifdef GMX_DOUBLE
 284     const real     nbnxn_refkernel_fac = 4.0;
 285 #else
 286     const real     nbnxn_refkernel_fac = 8.0;
 287 #endif
 288
 289     bQRF = (EEL_RF(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelCUT);
 290
 291     iparams           = mtop->ffparams.iparams;
 292     atnr              = mtop->ffparams.atnr;
 293     nqlj              = 0;
 294     nq                = 0;
 295     *bChargePerturbed = FALSE;
 296     *bTypePerturbed   = FALSE;
 297     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 298     {
 299         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 300         atom = molt->atoms.atom;
 301         nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 302         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
 303         {
 304             if (atom[a].q != 0 || atom[a].qB != 0)
 305             {
 306                 if (iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c6  != 0 ||
 307                     iparams[(atnr+1)*atom[a].type].lj.c12 != 0)
 308                 {
 309                     nqlj += nmol;
 310                 }
 311                 else
 312                 {
 313                     nq += nmol;
 314                 }
 315             }
 316             if (atom[a].q != atom[a].qB)
 317             {
 318                 *bChargePerturbed = TRUE;
 319             }
 320             if (atom[a].type != atom[a].typeB)
 321             {
 322                 *bTypePerturbed = TRUE;
 323             }
 324         }
 325     }
 326
 327     nlj = mtop->natoms - nqlj - nq;
 328
 329     *nq_tot  = nqlj + nq;
 330     *nlj_tot = nqlj + nlj;
 331
 332     /* Effective cut-off for cluster pair list of 4x4 atoms */
 333     r_eff = ir->rlist + nbnxn_get_rlist_effective_inc(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, mtop->natoms/det(box));
 334
 335     if (debug)
 336     {
 337         fprintf(debug, "nqlj %d nq %d nlj %d rlist %.3f r_eff %.3f\n",
 338                 nqlj, nq, nlj, ir->rlist, r_eff);
 339     }
 340
 341     /* Determine the cost per pair interaction */
 342     c_qlj = (bQRF ? C_VT_QRF_LJ : C_VT_QEXP_LJ);
 343     c_q   = (bQRF ? C_VT_QRF    : C_VT_QEXP);
 344     c_lj  = C_VT_LJ;
 345     if (ir->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || EVDW_PME(ir->vdwtype))
 346     {
 347         c_qlj += C_VT_LJEXP_ADD;
 348         c_lj  += C_VT_LJEXP_ADD;
 349     }
 350     if (EVDW_PME(ir->vdwtype) && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 351     {
 352         /* We don't have LJ-PME LB comb. rule kernels, we use slow kernels */
 353         c_qlj *= nbnxn_refkernel_fac;
 354         c_q   *= nbnxn_refkernel_fac;
 355         c_lj  *= nbnxn_refkernel_fac;
 356     }
 357
 358     /* For the PP non-bonded cost it is (unrealistically) assumed
 359      * that all atoms are distributed homogeneously in space.
 360      */
 361     /* Convert mtop->natoms to double to avoid int overflow */
 362     nat      = mtop->natoms;
 363     *cost_pp = 0.5*nat*(nqlj*c_qlj + nq*c_q + nlj*c_lj)
 364         *4/3*M_PI*r_eff*r_eff*r_eff/det(box);
 365 }
 366
 367 float pme_load_estimate(gmx_mtop_t *mtop, t_inputrec *ir, matrix box)
 368 {
 369     int            nq_tot, nlj_tot, f;
 370     gmx_bool       bChargePerturbed, bTypePerturbed;
 371     double         cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve, cost_pme;
 372     float          ratio;
 373
 374     /* Computational cost of bonded, non-bonded and PME calculations.
 375      * This will be machine dependent.
 376      * The numbers here are accurate for Intel Core2 and AMD Athlon 64
 377      * in single precision. In double precision PME mesh is slightly cheaper,
 378      * although not so much that the numbers need to be adjusted.
 379      */
 380
 381     cost_bond = C_BOND*n_bonded_dx(mtop, TRUE);
 382
 383     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
 384     {
 385         pp_group_load(mtop, ir, box,
 386                       &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 387                       &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 388     }
 389     else
 390     {
 391         pp_verlet_load(mtop, ir, box,
 392                        &nq_tot, &nlj_tot, &cost_pp,
 393                        &bChargePerturbed, &bTypePerturbed);
 394     }
 395
 396     cost_redist = 0;
 397     cost_spread = 0;
 398     cost_fft    = 0;
 399     cost_solve  = 0;
 400
 401     if (EEL_PME(ir->coulombtype))
 402     {
 403         f            = ((ir->efep != efepNO && bChargePerturbed) ? 2 : 1);
 404         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nq_tot;
 405         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nq_tot*std::pow(static_cast<real>(ir->pme_order), static_cast<real>(3.0));
 406         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*std::log(static_cast<real>(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz));
 407         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 408     }
 409
 410     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 411     {
 412         f            = ((ir->efep != efepNO && bTypePerturbed) ? 2 : 1);
 413         if (ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
 414         {
 415             /* LB combination rule: we have 7 mesh terms */
 416             f       *= 7;
 417         }
 418         cost_redist +=   C_PME_REDIST*nlj_tot;
 419         cost_spread += f*C_PME_SPREAD*nlj_tot*std::pow(static_cast<real>(ir->pme_order), static_cast<real>(3.0));
 420         cost_fft    += f*C_PME_FFT*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz*std::log(static_cast<real>(ir->nkx*ir->nky*ir->nkz));
 421         cost_solve  += f*C_PME_SOLVE*ir->nkx*ir->nky*ir->nkz;
 422     }
 423
 424     cost_pme = cost_redist + cost_spread + cost_fft + cost_solve;
 425
 426     ratio = cost_pme/(cost_bond + cost_pp + cost_pme);
 427
 428     if (debug)
 429     {
 430         fprintf(debug,
 431                 "cost_bond   %f\n"
 432                 "cost_pp     %f\n"
 433                 "cost_redist %f\n"
 434                 "cost_spread %f\n"
 435                 "cost_fft    %f\n"
 436                 "cost_solve  %f\n",
 437                 cost_bond, cost_pp, cost_redist, cost_spread, cost_fft, cost_solve);
 438
 439         fprintf(debug, "Estimate for relative PME load: %.3f\n", ratio);
 440     }
 441
 442     return ratio;
 443 }