# Gromacs-2021.3 (比较常用GPU队列)

### 4. Gromacs-2021.3 (比较常用GPU队列)
#### 说明：
使用Singularity容器解决方案，调用/fs00/software/singularity-images/ngc\_gromacs\_2021.3.sif完成Gromacs的能量最小化（em）、平衡模拟（nvt、npt）以及成品模拟（md）在公共共享100%GPU队列722080tiib、72rtxib、723090ib的表现。

#### 队列情况：
|   队列   |节点数|每节点CPU|每节点内存(GB) |平均每核内存(GB)|CPU主频(GHz)|每节点GPU数量|每GPU显存(GB)|浮点计算理论峰值(TFLOPS)|
|  :----------:  | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: | :---: |
|   83a100ib   | 1 | 64 | 512 |   8  | 2.6 | 8 | 40 | 双精度:82.92<br>单精度:------ |
|   723090ib   | 2 | 48 | 512 | 10.7 | 2.8 | 8 | 24 | 双精度:4.30<br>单精度:569.28 |
|   722080tiib   | 4 | 16 | 128 | 8.0 | 3.0 | 4 | 11 | 双精度:3.07<br>单精度:215.17 |
|   72rtxib      | 3 | 16 | 128 | 8.0 | 3.0 | 4 | 24 | 双精度:2.30<br>单精度:195.74 |

前人关于Gromacs-2021.3(全部相互作用用GPU计算)的测试报告中，尝试用GPU来模拟102808个原子体系（464 residues, 9nt DNA, 31709 SOL, 94 NA, 94 CL）50 ns内所有相互作用的运算，结果表明**83a100ib（250 ns/day以上）＞723090ib（220 ns/day以上）＞722080tiib（170 ns/day以上）＞72rtxib（180 ns/day以上）**，但83a100ib和723090ib队列常年存在80以上的NJOBS，因此作为成品模拟的前期准备，笔者通常不使用这两个队列。

#### 文件位置：

    /fs00/software/singularity-images/ngc\_gromacs\_2021.3.sif

#### 提交代码：

**能量最小化（em.lsf）**

```
#BSUB -q 72rtxib
#BSUB -gpu "num=1"
export OMP_NUM_THREADS="$LSB_DJOB_NUMPROC"
SINGULARITY="singularity run --nv /fs00/software/singularity-images/ngc_gromacs_2021.3.sif"
${SINGULARITY} gmx grompp -f minim.mdp -c 1aki_solv_ions.gro -p topol.top -o em.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -nb gpu -ntmpi 2 -deffnm em
```

**平衡模拟（nvt）**
```
#BSUB -q 72rtxib
#BSUB -gpu "num=1"
export OMP_NUM_THREADS="$LSB_DJOB_NUMPROC"
SINGULARITY="singularity run --nv /fs00/software/singularity-images/ngc_gromacs_2021.3.sif"
${SINGULARITY} gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -r em.gro -p topol.top -o nvt.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -nb gpu -ntmpi 2 -deffnm nvt
```

**平衡模拟（npt）**

```
#BSUB -q 72rtxib
#BSUB -gpu "num=1"
export OMP_NUM_THREADS="$LSB_DJOB_NUMPROC"
SINGULARITY="singularity run --nv /fs00/software/singularity-images/ngc_gromacs_2021.3.sif"
${SINGULARITY} gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -r nvt.gro -t nvt.cpt -p topol.top -o npt.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -nb gpu -ntmpi 2 -deffnm npt
```

**成品模拟（md）**

```
#BSUB -q 723090ib
#BSUB -gpu "num=1"
export OMP_NUM_THREADS="$LSB_DJOB_NUMPROC"
SINGULARITY="singularity run --nv /fs00/software/singularity-images/ngc_gromacs_2021.3.sif"
${SINGULARITY} gmx grompp -f md.mdp -c npt.gro -t npt.cpt -p topol.top -o md_0_1.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -nb gpu -bonded gpu -update gpu -pme gpu -pmefft gpu -deffnm md_0_1
```
**成品模拟（md）**

也可以参照以下命令进行修改，以作业脚本形式进行提交：
```
#BSUB -q 723090ib
#BSUB -gpu "num=1"
export OMP_NUM_THREADS="$LSB_DJOB_NUMPROC"
SINGULARITY="singularity run --nv /fs00/software/singularity-images/ngc_gromacs_2021.3.sif"
${SINGULARITY} gmx pdb2gmx -f protein.pdb -o protein_processed.gro -water tip3p -ignh -merge all <<< 4
${SINGULARITY} gmx editconf -f protein_processed.gro -o pro_newbox.gro -c -d 1.0 -bt cubic
${SINGULARITY} gmx solvate -cp pro_newbox.gro -cs spc216.gro -o pro_solv.gro -p topol.top
${SINGULARITY} gmx grompp -f ../MDP/ions.mdp -c pro_solv.gro -p topol.top -o ions.tpr
${SINGULARITY} gmx genion -s ions.tpr -o pro_solv_ions.gro -p topol.top -pname NA -nname CL -neutral <<< 13
${SINGULARITY} gmx grompp -f ../MDP/minim.mdp -c pro_solv_ions.gro -p topol.top -o em.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -v -deffnm em
${SINGULARITY} gmx energy -f em.edr -o potential.xvg <<< "10 0"
${SINGULARITY} gmx grompp -f ../MDP/nvt.mdp -c em.gro -r em.gro -p topol.top -o nvt.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -deffnm nvt
${SINGULARITY} gmx energy -f nvt.edr -o temperature.xvg <<< "16 0"
${SINGULARITY} gmx grompp -f ../MDP/npt.mdp -c nvt.gro -r nvt.gro -t nvt.cpt -p topol.top -o npt.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -deffnm npt
${SINGULARITY} gmx energy -f npt.edr -o pressure.xvg <<< "18 0"
${SINGULARITY} gmx grompp -f ../MDP/md.mdp -c npt.gro -t npt.cpt -p topol.top -o md.tpr
${SINGULARITY} gmx mdrun -v -deffnm md
${SINGULARITY} gmx rms -f md.xtc -s md.tpr -o rmsd.xvg <<< "4 4"
```

## 软件信息：
```
GROMACS version:    2021.3-dev-20210818-11266ae-dirty-unknown
Precision:          mixed
Memory model:       64 bit
MPI library:        thread_mpi
OpenMP support:     enabled (GMX_OPENMP_MAX_THREADS = 64)
GPU support:        CUDA
SIMD instructions:  AVX2_256
FFT library:        fftw-3.3.9-sse2-avx-avx2-avx2_128-avx512
CUDA driver:        11.20
CUDA runtime:       11.40
```


###### 测试算例：
```
ATOM 218234 (401 Protein residues, 68414 SOL, 9 Ion residues)

nsteps = 100000000 ; 200 ns
```

eScience中心GPU测试： 能量最小化（em）、平衡模拟（nvt、npt）使用1个GPU进行模拟，成品模拟（md）使用1个GPU进行模拟。

<center>
  
|**任务1**|em|nvt|npt|md|
|:---: |:---:|:---:|:---:|:---:|
| --- | 72rtxib | 722080tiib | 722080tiib | 723090ib |
| CPU time | 1168.45 | 13960.33 | 42378.71 |
| Run time | 79 | 1648 | 5586 | 117.428 ns/day<br>0.204 hour/ns |
| Turnaround time | 197 | 1732 | 5661 |
||
|**任务2**|em|nvt|npt|md|
| --- | 72rtxib | 722080tiib | 72rtxib | 722080tiib |
| CPU time | 1399.30 | 15732.66 | 40568.04 |
| Run time | 93 | 1905 | 5236 | 106.862 ns/day<br>0.225 hour/ns |
| Turnaround time | 181 | 1991 | 5479 |
||
|**任务3**|em|nvt|npt|md|
| --- | 72rtxib | 72rtxib | 72rtxib | 72rtxib |
| CPU time | 1368.11 | 5422.49 | 5613.74 |
| Run time | 92 | 355 | 366 | 103.213 ns/day<br>0.233 hour/ns |
| Turnaround time | 180 | 451 | 451 |
|| 
|**任务4**|em|nvt|npt|md|
| --- | 72rtxib | 72rtxib | 72rtxib | 722080tiib |
| CPU time | 1321.15 | 5441.60 | 5618.87 |
| Run time | 89 | 356 | 369 | 111.807 ns/day<br>0.215 hour/ns |
| Turnaround time | 266 | 440 | 435 |
|| 
|**任务5**|em|nvt|npt|md|
| --- | 72rtxib | 72rtxib | 72rtxib | 72rtxib |
| CPU time | 1044.17 | 5422.94 | 5768.44 |
| Run time | 72 | 354 | 380 | 110.534 ns/day<br>0.217 hour/ns |
| Turnaround time | 162 | 440 | 431 |
|| 
|**任务6**|em|nvt|npt|md|
| --- | 723090ib | 723090ib | 723090ib | 723090ib |
| CPU time | 1569.17 | 7133.74 | 6677.25 |
| Run time | 81 | 326 | 325 | 114.362 ns/day<br>0.210 hour/ns |
| Turnaround time | 75 | 320 | 300 |
|| 
|**任务7**|em|nvt|npt|md|
| --- | 723090ib | 723090ib | 723090ib | 722080tiib |
| CPU time | 1970.56 | 5665.71 | 6841.73 |
| Run time | 91 | 253 | 327 | 111.409 ns/day<br>0.215 hour/ns |
| Turnaround time | 123 | 251 | 328 |
|| 
|**任务8**|em|nvt|npt|md|
| --- | 72rtxib | 72rtxib | 72rtxib | 72rtxib |
| CPU time | 1234.24 | 5540.59 | 5528.91 |
| Run time | 108 | 363 | 370 | 114.570 ns/day<br>0.209 hour/ns |
| Turnaround time | 85 | 364 | 363 |
|| 
|**任务9**|em|nvt|npt|md|
| --- | 723090ib | 723090ib | 723090ib | 723090ib |
| CPU time | 2016.10 | 7633.83 | 7983.58 |
| Run time | 93 | 342 | 361 | 115.695 ns/day<br>0.207 hour/ns |
| Turnaround time | 130 | 377 | 356 |
|| 
|**任务10**|em|nvt|npt|md|
| --- | 723090ib | 723090ib | 723090ib | 72rtxib |
| CPU time | 1483.84 | 7025.65 | 7034.90 |
| Run time | 68 | 317 | 333 | 102.324 ns/day<br>0.235 hour/ns |
| Turnaround time | 70 | 319 | 316 |

</center>

##### 结论：

1. 能量最小化（em）在任务较少的722080tiib和72rtxib队列中，Run time分别为88.83 ± 12.45和83.25 ± 11.44s;

2. 平衡模拟（nvt）任务在722080tiib、72rtxib和723090ib队列中，Run time分别为1776.50 ± 181.73、357.00 ± 4.08和309.50 ± 39.06 s；

3. 平衡模拟（npt）任务在722080tiib、72rtxib和723090ib队列中，Run time分别为5411.00 ± 247.49、371.25 ± 6.08和336.50 ± 16.68 s；

4. 原子数218234的 200 ns成品模拟（md）任务在722080tiib、72rtxib、和723090ib队列中，**性能表现差别不大**，分别为110.03 ± 2.75、115.83 ± 1.54和107.66 ± 5.90 ns/day。

5. 综上，建议在能量最小化（em）、平衡模拟（nvt、npt）等阶段**使用排队任务较少的72rtxib队列** ，建议在成品模拟（md）阶段**按照任务数量**（从笔者使用情况来看，排队任务数量72rtxib＜722080tiib＜723090ib＜83a100ib）、**GPU收费情况**（校内及协同创新中心用户：72rtxib队列1.8 元/卡/小时=0.45元/核/小时、722080tiib队列1.2 元/卡/小时=0.3元/核/小时、723090ib队列1.8 元/卡/小时=0.3元/核/小时、83a100ib队列4.8 元/卡/小时=0.3元/核/小时）**适当考虑队列**。
6. 在以上提交代码中，未涉及到Gromacs的并行效率问题（**直接“num=4”并不能在集群同时使用4块GPU**），感兴趣的同学可以查看http://bbs.keinsci.com/thread-13861-1-1.html以及https://developer.nvidia.com/blog/creating-faster-molecular-dynamics-simulations-with-gromacs-2020/的相关解释。但根据前辈的经验，**ATOM 500000以上才值得使用两张GPU加速卡**，原因在于Gromacs的并行效率不明显。感兴趣的同学也可以使用Amber的GPU并行加速，但对显卡的要求为3090或者tesla A100。这里提供了GPU=4的gromacs命令：
```
gmx mdrun -deffnm $file.pdb.md -ntmpi 4 -ntomp 7 -npme 1 -nb gpu -pme gpu -bonded gpu -pmefft gpu -v
```