Robust/src/Benchmarks/Prefetch/Moldyn/dsm/JGFMolDynBench.java

   1 /**************************************************************************
   2  *                                                                         *
   3  *         Java Grande Forum Benchmark Suite - Thread Version 1.0          *
   4  *                                                                         *
   5  *                            produced by                                  *
   6  *                                                                         *
   7  *                  Java Grande Benchmarking Project                       *
   8  *                                                                         *
   9  *                                at                                       *
  10  *                                                                         *
  11  *                Edinburgh Parallel Computing Centre                      *
  12  *                                                                         *
  13  *                email: epcc-javagrande@epcc.ed.ac.uk                     *
  14  *                                                                         *
  15  *                                                                         *
  16  *      This version copyright (c) The University of Edinburgh, 2001.      *
  17  *                         All rights reserved.                            *
  18  *                                                                         *
  19  **************************************************************************/
  20 public class JGFMolDynBench {
  21   public int ITERS;
  22   public double LENGTH;
  23   public double m;
  24   public double mu;
  25   public double kb;
  26   public double TSIM;
  27   public double deltat;
  28
  29   public int PARTSIZE;
  30
  31   public DoubleWrapper[] epot;
  32   public DoubleWrapper[] vir;
  33   public DoubleWrapper[] ek;
  34
  35   int size,mm;
  36   int[] datasizes;
  37
  38   public int interactions;
  39   public IntWrapper[] interacts;
  40
  41   public int nthreads;
  42   public JGFInstrumentor instr;
  43
  44   public JGFMolDynBench(int nthreads) {
  45     this.nthreads=nthreads;
  46   }
  47
  48   public void JGFsetsize(int size){
  49     this.size = size;
  50   }
  51
  52   public void JGFinitialise(){
  53     interactions = 0;
  54     datasizes = global new int[2];
  55     datasizes[0] = 8;
  56     datasizes[1] = 13;
  57
  58     mm = datasizes[size];
  59     PARTSIZE = mm*mm*mm*4;
  60     ITERS = 100;
  61     LENGTH = 50e-10;
  62     m = 4.0026;
  63     mu = 1.66056e-27;
  64     kb = 1.38066e-23;
  65     TSIM = 50;
  66     deltat = 5e-16;
  67   }
  68
  69   public static void JGFapplication(JGFMolDynBench mold) {
  70     // Create new arrays
  71     BarrierServer mybarr;
  72     int[] mid = new int[4];
  73     mid[0] = (128<<24)|(195<<16)|(175<<8)|79;
  74     mid[1] = (128<<24)|(195<<16)|(175<<8)|80;
  75     mid[2] = (128<<24)|(195<<16)|(175<<8)|78;
  76     mid[3] = (128<<24)|(195<<16)|(175<<8)|73;
  77
  78     double sh_force [][];
  79     double sh_force2 [][][];
  80     int partsize, numthreads;
  81     atomic {
  82       partsize = mold.PARTSIZE;
  83       numthreads = mold.nthreads;
  84       mybarr = global new BarrierServer(numthreads);
  85     }
  86     mybarr.start(mid[0]);
  87
  88     atomic {
  89       sh_force = global new double[3][partsize];
  90       sh_force2 = global new double[3][numthreads][partsize];
  91       mold.epot = global new DoubleWrapper[numthreads];
  92       mold.vir  = global new DoubleWrapper[numthreads];
  93       mold.ek   = global new DoubleWrapper[numthreads];
  94       mold.interacts = global new IntWrapper[numthreads];
  95       for(int i=0;i<numthreads;i++) {
  96         mold.epot[i]=global new DoubleWrapper();
  97         mold.vir[i]=global new DoubleWrapper();
  98         mold.ek[i]=global new DoubleWrapper();
  99         mold.interacts[i]=global new IntWrapper();
 100       }
 101     }
 102
 103     // spawn threads
 104     MDWrap[] thobjects = new MDWrap[numthreads];
 105
 106     atomic {
 107       for(int i=0;i<numthreads;i++) {
 108         thobjects[i] = new MDWrap(global new mdRunner(i,mold.mm,sh_force,sh_force2,mold.nthreads,mold));
 109       }
 110     }
 111
 112     boolean waitfordone=true;
 113     while(waitfordone) {
 114       atomic{
 115         if (mybarr.done)
 116           waitfordone=false;
 117       }
 118     }
 119
 120     for(int i=0;i<numthreads;i++) {
 121       thobjects[i].md.start(mid[i]);
 122     }
 123
 124     for(int i=0;i<numthreads;i++) {
 125       thobjects[i].md.join();
 126     }
 127   }
 128
 129   public void JGFvalidate(){
 130     double[] refval = new double[2];
 131     refval[0] = 1731.4306625334357;
 132     refval[1] = 7397.392307839352;
 133     double dev = Math.fabs(ek[0].d - refval[size]);
 134     if (dev > 1.0e-10 ){
 135       //System.printString("Validation failed\n");
 136       //System.printString("Kinetic Energy = " + (long)ek[0] + "  " + (long)dev + "  " + size + "\n");
 137     }
 138   }
 139 }
 140
 141 class mdRunner extends Thread {
 142
 143   double count;
 144   int id,i,j,k,lg,mm;
 145   double l,rcoff,rcoffs,side,sideh,hsq,hsq2,vel,velt;
 146   double a,r,sum,tscale,sc,ekin,ts,sp;
 147   double den;
 148   double tref;
 149   double h;
 150   double vaver,vaverh,rand;
 151   double etot,temp,pres,rp;
 152   double u1, u2, s, xx, yy, zz;
 153   double xvelocity, yvelocity, zvelocity;
 154
 155   double [][] sh_force;
 156   double [][][] sh_force2;
 157
 158   int ijk,npartm,iseed,tint;
 159   int irep;
 160   int istop;
 161   int iprint;
 162
 163   JGFMolDynBench mymd;
 164   int nthreads;
 165
 166   public mdRunner(int id, int mm, double [][] sh_force, double [][][] sh_force2,
 167                   int nthreads, JGFMolDynBench mymd) {
 168     this.id=id;
 169     this.mm=mm;
 170     this.sh_force=sh_force;
 171     this.sh_force2=sh_force2;
 172     this.nthreads = nthreads;
 173     this.mymd = mymd;
 174     count = 0.0;
 175     den = 0.83134;
 176     tref = 0.722;
 177     h = 0.064;
 178     irep = 10;
 179     istop = 19;
 180     iprint = 10;
 181   }
 182
 183     public void init(particle[] one, int mdsize) {
 184       for (lg=0; lg<=1; lg++) {
 185         for (i=0; i<mm; i++) {
 186           for (j=0; j<mm; j++) {
 187             for (k=0; k<mm; k++) {
 188               one[ijk] = new particle((i*a+lg*a*0.5),(j*a+lg*a*0.5),(k*a),
 189                   xvelocity,yvelocity,zvelocity,sh_force,sh_force2,id,one);
 190               ijk = ijk + 1;
 191             }
 192           }
 193         }
 194       }
 195
 196       for (lg=1; lg<=2; lg++) {
 197         for (i=0; i<mm; i++) {
 198           for (j=0; j<mm; j++) {
 199             for (k=0; k<mm; k++) {
 200               one[ijk] = new particle((i*a+(2-lg)*a*0.5),(j*a+(lg-1)*a*0.5),
 201                                       (k*a+a*0.5),xvelocity,yvelocity,zvelocity,sh_force,sh_force2,id,one);
 202               ijk = ijk + 1;
 203             }
 204           }
 205         }
 206       }
 207
 208       /* Initialise velocities */
 209
 210       iseed = 0;
 211       double v1 = 0.0;
 212       double v2 = 0.0;
 213       random randnum = new random(iseed,v1,v2);
 214
 215
 216       for (i=0; i<mdsize; i+=2) {
 217         r  = randnum.seed();
 218         one[i].xvelocity = r*randnum.v1;
 219         one[i+1].xvelocity  = r*randnum.v2;
 220       }
 221
 222       for (i=0; i<mdsize; i+=2) {
 223         r  = randnum.seed();
 224         one[i].yvelocity = r*randnum.v1;
 225         one[i+1].yvelocity  = r*randnum.v2;
 226       }
 227
 228       for (i=0; i<mdsize; i+=2) {
 229         r  = randnum.seed();
 230         one[i].zvelocity = r*randnum.v1;
 231         one[i+1].zvelocity  = r*randnum.v2;
 232       }
 233
 234
 235       /* velocity scaling */
 236
 237       ekin = 0.0;
 238       sp = 0.0;
 239
 240       for(i=0;i<mdsize;i++) {
 241         sp = sp + one[i].xvelocity;
 242       }
 243       sp = sp / mdsize;
 244
 245       for(i=0;i<mdsize;i++) {
 246         one[i].xvelocity = one[i].xvelocity - sp;
 247         ekin = ekin + one[i].xvelocity*one[i].xvelocity;
 248       }
 249
 250       sp = 0.0;
 251       for(i=0;i<mdsize;i++) {
 252         sp = sp + one[i].yvelocity;
 253       }
 254       sp = sp / mdsize;
 255
 256       for(i=0;i<mdsize;i++) {
 257         one[i].yvelocity = one[i].yvelocity - sp;
 258         ekin = ekin + one[i].yvelocity*one[i].yvelocity;
 259       }
 260
 261
 262       sp = 0.0;
 263       for(i=0;i<mdsize;i++) {
 264         sp = sp + one[i].zvelocity;
 265       }
 266       sp = sp / mdsize;
 267
 268       for(i=0;i<mdsize;i++) {
 269         one[i].zvelocity = one[i].zvelocity - sp;
 270         ekin = ekin + one[i].zvelocity*one[i].zvelocity;
 271       }
 272
 273       ts = tscale * ekin;
 274       sc = h * Math.sqrt(tref/ts);
 275
 276
 277       for(i=0;i<mdsize;i++) {
 278
 279         one[i].xvelocity = one[i].xvelocity * sc;
 280         one[i].yvelocity = one[i].yvelocity * sc;
 281         one[i].zvelocity = one[i].zvelocity * sc;
 282
 283       }
 284
 285     }
 286
 287   public void run() {
 288     /* Parameter determination */
 289
 290     int mdsize;
 291     double tmpden;
 292     int movemx=50;
 293     Barrier barr=new Barrier("128.195.175.79");
 294     particle[] one;
 295     atomic {
 296       mdsize = mymd.PARTSIZE;
 297       one=new particle[mdsize];
 298       l = mymd.LENGTH;
 299       tmpden = den;
 300       side = Math.pow((mdsize/tmpden),0.3333333);
 301       rcoff = mm/4.0;
 302
 303       a = side/mm;
 304       sideh = side*0.5;
 305       hsq = h*h;
 306       hsq2 = hsq*0.5;
 307       npartm = mdsize - 1;
 308       rcoffs = rcoff * rcoff;
 309       tscale = 16.0 / (1.0 * mdsize - 1.0);
 310       vaver = 1.13 * Math.sqrt(tref / 24.0);
 311       vaverh = vaver * h;
 312
 313       /* Particle Generation */
 314
 315       xvelocity = 0.0;
 316       yvelocity = 0.0;
 317       zvelocity = 0.0;
 318       ijk = 0;
 319       init(one, mdsize);
 320
 321     }
 322
 323     /* Synchronise threads and start timer before MD simulation */
 324
 325     Barrier.enterBarrier(barr);
 326
 327     /* MD simulation */
 328
 329     for (int move=0;move<movemx;move++) {
 330       atomic {
 331         /* move the particles and update velocities */
 332         for (i=0;i<mdsize;i++) {
 333           one[i].domove(side,i);
 334         }
 335       }
 336
 337       /* Barrier */
 338       Barrier.enterBarrier(barr);
 339
 340       atomic {
 341         if(id==0) {
 342           for(j=0;j<3;j++) {
 343             for (i=0;i<mdsize;i++) {
 344               sh_force[j][i] = 0.0;
 345             }
 346           }
 347         }
 348
 349         mymd.epot[id].d = 0.0;
 350         mymd.vir[id].d = 0.0;
 351         mymd.interacts[id].i = 0;
 352       }
 353
 354
 355       /* Barrier */
 356       Barrier.enterBarrier(barr);
 357
 358       atomic {
 359         /* compute forces */
 360
 361         for (i=0+id;i<mdsize;i+=nthreads) {
 362           one[i].force(side,rcoff,mdsize,i,xx,yy,zz,mymd);
 363         }
 364       }
 365
 366       /* Barrier */
 367       Barrier.enterBarrier(barr);
 368
 369       /* update force arrays */
 370       atomic {
 371         if(id == 0) {
 372           for(int k=0;k<3;k++) {
 373             for(i=0;i<mdsize;i++) {
 374               for(j=0;j<nthreads;j++) {
 375                 sh_force[k][i] += sh_force2[k][j][i];
 376               }
 377             }
 378           }
 379
 380           for(int k=0;k<3;k++) {
 381             for(i=0;i<mdsize;i++) {
 382               for(j=0;j<nthreads;j++) {
 383                 sh_force2[k][j][i] = 0.0;
 384               }
 385             }
 386           }
 387
 388           for(j=1;j<nthreads;j++) {
 389             mymd.epot[0].d += mymd.epot[j].d;
 390             mymd.vir[0].d += mymd.vir[j].d;
 391           }
 392           for(j=1;j<nthreads;j++) {
 393             mymd.epot[j].d = mymd.epot[0].d;
 394             mymd.vir[j].d = mymd.vir[0].d;
 395           }
 396           for(j=0;j<nthreads;j++) {
 397             mymd.interactions += mymd.interacts[j].i;
 398           }
 399
 400           for (j=0;j<3;j++) {
 401             for (i=0;i<mdsize;i++) {
 402               sh_force[j][i] = sh_force[j][i] * hsq2;
 403             }
 404           }
 405         }
 406       }
 407
 408       /* Barrier */
 409       Barrier.enterBarrier(barr);
 410
 411       atomic {
 412         /*scale forces, update velocities */
 413         sum = 0.0;
 414         for (i=0;i<mdsize;i++) {
 415           sum = sum + one[i].mkekin(hsq2,i);
 416         }
 417
 418         ekin = sum/hsq;
 419
 420         vel = 0.0;
 421         count = 0.0;
 422
 423         /* average velocity */
 424
 425         for (i=0;i<mdsize;i++) {
 426           velt = one[i].velavg(vaverh,h);
 427           if(velt > vaverh) { count = count + 1.0; }
 428           vel = vel + velt;
 429         }
 430
 431         vel = vel / h;
 432
 433         /* temperature scale if required */
 434
 435         if((move < istop) && (((move+1) % irep) == 0)) {
 436           sc = Math.sqrt(tref / (tscale*ekin));
 437           for (i=0;i<mdsize;i++) {
 438             one[i].dscal(sc,1);
 439           }
 440           ekin = tref / tscale;
 441         }
 442
 443         /* sum to get full potential energy and virial */
 444
 445         if(((move+1) % iprint) == 0) {
 446           mymd.ek[id].d = 24.0*ekin;
 447           mymd.epot[id].d = 4.0*mymd.epot[id].d;
 448           etot = mymd.ek[id].d + mymd.epot[id].d;
 449           temp = tscale * ekin;
 450           pres = tmpden * 16.0 * (ekin - mymd.vir[id].d) / mdsize;
 451           vel = vel / mdsize;
 452           rp = (count / mdsize) * 100.0;
 453         }
 454       }
 455       Barrier.enterBarrier(barr);
 456     }
 457
 458     Barrier.enterBarrier(barr);
 459     //if (id == 0) JGFInstrumentor.stopTimer("Section3:MolDyn:Run", instr.timers);
 460   }
 461
 462 }
 463
 464 class particle {
 465
 466   public double xcoord, ycoord, zcoord;
 467   public double xvelocity,yvelocity,zvelocity;
 468   int part_id;
 469   int id;
 470   global double [][] sh_force;
 471   global double [][][] sh_force2;
 472   particle[] one;
 473
 474   public particle(double xcoord, double ycoord, double zcoord, double xvelocity,
 475                   double yvelocity,double zvelocity, double [][] sh_force,
 476                   double [][][] sh_force2,int id, particle[] one) {
 477
 478     this.xcoord = xcoord;
 479     this.ycoord = ycoord;
 480     this.zcoord = zcoord;
 481     this.xvelocity = xvelocity;
 482     this.yvelocity = yvelocity;
 483     this.zvelocity = zvelocity;
 484     this.sh_force = sh_force;
 485     this.sh_force2 = sh_force2;
 486     this.id=id;
 487     this.one=one;
 488   }
 489
 490   public void domove(double side,int part_id) {
 491
 492     xcoord = xcoord + xvelocity + sh_force[0][part_id];
 493     ycoord = ycoord + yvelocity + sh_force[1][part_id];
 494     zcoord = zcoord + zvelocity + sh_force[2][part_id];
 495
 496     if(xcoord < 0) { xcoord = xcoord + side; }
 497     if(xcoord > side) { xcoord = xcoord - side; }
 498     if(ycoord < 0) { ycoord = ycoord + side; }
 499     if(ycoord > side) { ycoord = ycoord - side; }
 500     if(zcoord < 0) { zcoord = zcoord + side; }
 501     if(zcoord > side) { zcoord = zcoord - side; }
 502
 503     xvelocity = xvelocity + sh_force[0][part_id];
 504     yvelocity = yvelocity + sh_force[1][part_id];
 505     zvelocity = zvelocity + sh_force[2][part_id];
 506
 507   }
 508
 509   public void force(double side, double rcoff,int mdsize,int x, double xx, double yy, double zz, JGFMolDynBench mymd) {
 510
 511     double sideh;
 512     double rcoffs;
 513
 514     double fxi,fyi,fzi;
 515     double rd,rrd,rrd2,rrd3,rrd4,rrd6,rrd7,r148;
 516     double forcex,forcey,forcez;
 517
 518     sideh = 0.5*side;
 519     rcoffs = rcoff*rcoff;
 520
 521     fxi = 0.0;
 522     fyi = 0.0;
 523     fzi = 0.0;
 524
 525     for (int i=x+1;i<mdsize;i++) {
 526       xx = this.xcoord - one[i].xcoord;
 527       yy = this.ycoord - one[i].ycoord;
 528       zz = this.zcoord - one[i].zcoord;
 529
 530       if(xx < (-sideh)) { xx = xx + side; }
 531       if(xx > (sideh))  { xx = xx - side; }
 532       if(yy < (-sideh)) { yy = yy + side; }
 533       if(yy > (sideh))  { yy = yy - side; }
 534       if(zz < (-sideh)) { zz = zz + side; }
 535       if(zz > (sideh))  { zz = zz - side; }
 536
 537
 538       rd = xx*xx + yy*yy + zz*zz;
 539
 540       if(rd <= rcoffs) {
 541         rrd = 1.0/rd;
 542         rrd2 = rrd*rrd;
 543         rrd3 = rrd2*rrd;
 544         rrd4 = rrd2*rrd2;
 545         rrd6 = rrd2*rrd4;
 546         rrd7 = rrd6*rrd;
 547         mymd.epot[id].d += (rrd6 - rrd3);
 548         r148 = rrd7 - 0.5*rrd4;
 549         mymd.vir[id].d += - rd*r148;
 550         forcex = xx * r148;
 551         fxi = fxi + forcex;
 552
 553         sh_force2[0][id][i] = sh_force2[0][id][i] - forcex;
 554
 555         forcey = yy * r148;
 556         fyi = fyi + forcey;
 557
 558         sh_force2[1][id][i] = sh_force2[1][id][i] - forcey;
 559
 560         forcez = zz * r148;
 561         fzi = fzi + forcez;
 562
 563         sh_force2[2][id][i] = sh_force2[2][id][i] - forcez;
 564
 565         mymd.interacts[id].i++;
 566       }
 567
 568     }
 569
 570     sh_force2[0][id][x] = sh_force2[0][id][x] + fxi;
 571     sh_force2[1][id][x] = sh_force2[1][id][x] + fyi;
 572     sh_force2[2][id][x] = sh_force2[2][id][x] + fzi;
 573
 574   }
 575
 576   public double mkekin(double hsq2,int part_id) {
 577
 578     double sumt = 0.0;
 579
 580     xvelocity = xvelocity + sh_force[0][part_id];
 581     yvelocity = yvelocity + sh_force[1][part_id];
 582     zvelocity = zvelocity + sh_force[2][part_id];
 583
 584     sumt = (xvelocity*xvelocity)+(yvelocity*yvelocity)+(zvelocity*zvelocity);
 585     return sumt;
 586   }
 587
 588   public double velavg(double vaverh,double h) {
 589
 590     double velt;
 591     double sq;
 592
 593     sq = Math.sqrt(xvelocity*xvelocity + yvelocity*yvelocity +
 594         zvelocity*zvelocity);
 595
 596     velt = sq;
 597     return velt;
 598   }
 599
 600   public void dscal(double sc,int incx) {
 601     xvelocity = xvelocity * sc;
 602     yvelocity = yvelocity * sc;
 603     zvelocity = zvelocity * sc;
 604   }
 605 }
 606
 607 class random {
 608
 609   public int iseed;
 610   public double v1,v2;
 611
 612   public random(int iseed,double v1,double v2) {
 613     this.iseed = iseed;
 614     this.v1 = v1;
 615     this.v2 = v2;
 616   }
 617
 618   public double update() {
 619
 620     double rand;
 621     double scale= 4.656612875e-10;
 622
 623     int is1,is2,iss2;
 624     int imult=16807;
 625     int imod = 2147483647;
 626
 627     if (iseed<=0) { iseed = 1; }
 628
 629     is2 = iseed % 32768;
 630     is1 = (iseed-is2)/32768;
 631     iss2 = is2 * imult;
 632     is2 = iss2 % 32768;
 633     is1 = (is1*imult+(iss2-is2)/32768) % (65536);
 634
 635     iseed = (is1*32768+is2) % imod;
 636
 637     rand = scale * iseed;
 638
 639     return rand;
 640
 641   }
 642
 643   public double seed() {
 644
 645     double s,u1,u2,r;
 646     s = 1.0;
 647     do {
 648       u1 = update();
 649       u2 = update();
 650
 651       v1 = 2.0 * u1 - 1.0;
 652       v2 = 2.0 * u2 - 1.0;
 653       s = v1*v1 + v2*v2;
 654
 655     } while (s >= 1.0);
 656
 657     r = Math.sqrt(-2.0*Math.log(s)/s);
 658
 659     return r;
 660
 661   }
 662 }
 663
 664