本帖最后由 Entropy.S.I 于 2022-11-1 03:40 编辑
性能翻倍？RTX4090科学计算之经典MD模拟全面测试
0 写在前面 这次测试最初的目的是证明用何种性能级别的CPU可在运行GPU加速GROMACS（简称GMX）时榨干最新顶级消费级GPU——NVIDIA GeForce RTX 4090，但某日笔者建议一些bilibili UP主测试该GPU运行“生产力”软件的发言被不学无术/不懂装懂者群起而攻之，遂决定亲自上阵，在最初的测试计划中引入一些额外内容，对RTX 4090进行迄今全网最具系统性的分子动力学（MD）模拟性能测试。由于中文互联网上与GPU加速MD相关的benchmark文章较少，本文的讨论将不会局限于RTX 4090本身，会做一些扩展讨论。 NVIDIA官方对相关软件已经进行了 一些测试，但其测试只针对极度昂贵的数据中心GPU产品，以展示多GPU并行性能和其GPU节点对CPU节点的替代能力为主要目的；且笔者发现，其在使用不同软件运行STMV模型的测试中所用具体参数大相径庭，无法实现不同程序间的公平对比。因此，笔者特意在本次测试中使用了一些公平的模型和参数。此外，本次测试仅考虑单GPU运行的使用场景，因为这是实际使用中的大多数状态，且RTX 4090不具备NVLink，使用多GPU并行意义不大。
1 测试平台 硬件平台（由于51972暂时不能提供RTX 3090Ti，故用ROG STRIX RTX 3090额外超频150MHz并将功耗上限设为480W以模拟RTX 3090Ti）：
软件环境：Ubuntu22.04.1 LTS Desktop; Linux version 5.15.0-52-generic; GNU 11.2; CUDA Tookit 11.8; NVIDIA GPU Driver 520.56.06
2 测试程序信息及相应模型参数 本次测试涉及GMX、AMBER、NAMD3、LAMMPS共4款MD软件，基准数据集和测试脚本在SI中（tar.bz2）。GMX、AMBER、NAMD3所用各模型主要参数如下表：
其中，A和A-2为表面活性剂在油-水界面的slab模型；B为体相的表面活性剂胶束模型；B-TI为模拟单个表面活性剂（134原子）从胶束中解耦过程的Δ G的热力学积分（TI）模拟的某个λ窗口模拟；4个STMV开头的模型均为STMV（烟草花叶病毒卫星病毒，经典的benchmark专用模型，近20年来被广泛用于HPC性能测试）在水环境中的模型，后3个是相应程序此前已公开报道的测试所用的模型与参数；benchPEP-h为若干小肽链在水环境中的模型。A、A-2、B、B-TI均选自笔者此前研究工作，与5月发布的 HPC benchmark报告所用模型完全相同。 值得一提的是，STMV-AMBER测试中额外使用了AMBER官方benchmark文件包中的优化版参数进行测试，即所谓“Boost”设置，具体机制是通过手动指定合适的“skin_permit”参数以减少pair list的频繁更新引起的性能下降，根据AMBER开发组的说法，将此参数设为0.75可在多数体系中获得8-12%的性能提升，并兼顾模拟的“安全性”，但此功能未在公平版mod中启用。 10月11日笔者在 BB空间发布“预告”后，有网友要求增加LAMMPS测试，但实际上笔者一开始特意将LAMMPS排除在测试列表外，因为其主攻固体材料模拟，力场基本与另3款软件不兼容，故无法与另3款软件横向对比；此外，其GPU加速功能对GPU的双精度浮点性能需求高，较不适合用来测试双精度浮点性能孱弱的游戏GPU。不过既然网友已明确提出需求，又考虑到RTX 4090的双精度浮点性能已超过1 TFLOPS，有一定测试价值，遂将LAMMPS加入测试列表。LAMMPS测试所用文件即为NVIDIA网站上公布的 测试所用的文件，3个任务分别为LJ 2.5、EAM、Tersoff。经过测试，目前使用RTX 4090运行ReaxFF/C任务有bug，故放弃ReaxFF/C。也有网友提出希望测试VASP，但此软件是纯商业软件，笔者个人未购买使用许可，故无法进行测试，Material Studio同理（建议自发抵制VASP、MS这类溢价软件，尤其是MS）。本次测试所用的4款经典MD软件是当前最主流的，参考 2021年计算化学公社论坛“你最常用的计算化学程序和DFT泛函”投票结果统计。 GROMACS 2022.3根据 笔者博客上公布的流程编译CUDA版本；AMBER22根据 笔者博客上公布的流程编译串行+CUDA版本，因为不测试多GPU并行，所以不编译MPI版本，也不启用NCCL；NAMD3直接使用官网提供的Alpha13预编译版本（NAMD_3.0alpha13_Linux-x86_64-multicore-CUDA-SingleNode.tar.gz，NVIDIA最新的测试也使用了此版本）；LAMMPS版本为23Jun2022_update1，使用cmake预设文件“basic.cmake”和“kokkos-cuda.cmake”进行编译（“kokkos-cuda.cmake”中“Kokkos_ARCH_PASCAL60”改为“Kokkos_ARCH_AMPERE86”，未选择针对Ada Lovelace架构优化是因为目前没有相关选项），同时额外指定编译REAXFF包（-D PKG_REAXFF=on）。 3 发挥RTX4090的最大性能——选择合适的CPU GMX的开发遵循硬件资源利用率最大化的原则，因此近些年来其GPU加速一直采用CPU+GPU的方案，运行MD模拟时需要CPU参与部分计算工作，CPU-GPU的任务分配在一定程度上可人工调节，以获得最优效率。在最新的版本中，GMX最多可将非键相互作用、成键相互作用、PME、坐标/速度/力更新和约束计算完全offload到GPU上运行（GPU-resident模式，须在mdrun命令中添加“-bonded gpu -update gpu”），但域分解(domain decomposition)、对搜索(pair search)、一些特殊力的计算以及特殊算法仍必须使用CPU执行。值得一提的是，只有当CPU资源严重匮乏时，采用GPU-resident模式才能快于使用CPU计算成键相互作用（ J. Chem. Phys. 2020, 153, 134110 Fig. 10），而“CPU资源严重匮乏”对于不同模型并无确定的分界点，因此本次测试将分别记录以这两种方式运行GMX的性能数据。 近些年来，GPU性能增速飞快，CPU的性能开始表现出不足，例如2020年9月发布的NVIDIA GeForce RTX 3090，若用来运行GPU加速GMX，须配合同期的高端CPU——AMD Ryzen R9 5900X才能发挥出大部分性能。而RTX 4090的理论性能相较于RTX 3090翻倍有余，CPU性能的瓶颈将更为明显，因此，非常有必要研究如何让RTX 4090在GROMACS任务中发挥最大性能。 AMBER、NAMD3、LAMMPS这3款MD软件的GPU加速模块均采用了“纯GPU”方案，这与GMX不同。采用这种方案的程序在运行时仅会占用1个CPU线程，几乎所有计算都在GPU上完成。但CPU单核性能对这类MD任务运行速度的影响依然值得考虑。 本次测试使用了4款典型的CPU，其中，AMD Ryzen R9 7950X和intel Core i9 13900K都是最新的顶级MSDT平台CPU，特点是单核性能都非常强，多核性能也不弱；AMD EPYC 7R32是计算化学公社社长卢天老师（ @sobereva）近期推荐的一型高性价比服务器CPU，适合计算密集型应用，具有48颗Zen2核心；intel XEON Platinum 8369B是近期intel阵营的高性价比服务器CPU，具有32颗Sunny Cove核心，在GMX测试中最多同时使用了2颗此CPU（64核），不使用8375C是因为此CPU遭到了奸商扫货，价格暴涨。 测试使用shell脚本自动运行，详见SI。在GMX测试中，STMV-NPT、STMV-GMX和benchPEP-h的性能数据并非直接取自mdrun运行日志，而是扣除Write traj.项的Wall time后重新计算。因为这3个模型模拟过程中不写轨迹，但GPU计算完成后会花较长时间写gro文件，而mdrun运行日志给出的性能数据包含了这一耗时。在运行时间较长的生产模拟中这一耗时可忽略不计，而在benchmark任务中理应扣除这一耗时。
图1展示了GMX运行各模型MD模拟的速度与所使用的CPU核数之间的关系。A和A-2模型中有大量成键项数量与原子数比值很大的分子（即烷烃和表面活性剂，其原子数占总原子数的60%），因此成键相互作用使用CPU计算与使用GPU计算的性能差异很明显，在图中直观地表现为两条曲线的交叉角度很大。其中A-2模型的cutoff更小，非键相互作用计算量更少，进一步突出了上述差异。在1250万原子的benchPEP-h模型的测试中，通过检查nvidia-smi dmon性能监控日志可发现，如果使用CPU计算成键相互作用，RTX 4090运行此模型时会出现间歇性的低时钟占用率、低功耗状态，且PCIe实时数据传输速率一直维持在近10GB/s，峰值可达20GB/s；而若采用GPU-resident模式，可以观察到GPU间歇性“熄火”的状况有一定改善，且PCIe数据传输量也有所减少；图1也显示对于该模型采用GPU-resident模式的模拟速度完全快于使用CPU计算成键相互作用。总之，对于大多数体系，只要CPU资源不是极度匮乏，都建议把成键相互作用放在CPU上计算（在mdrun命令中添加“-update gpu”，不添加“-bonded gpu”）；而对于主观估计为CPU资源极度匮乏（例如使用服务器CPU搭配多块高性能GPU），或体系中成键项数量与原子数比值很大且使用了较小cutoff，或体系极度庞大（近千万原子级别）的情况，应当尝试采用GPU-resident模式，观察其速度是否更快。 7R32作为4款CPU中多核理论性能最强者，运行GPU加速GMX却最慢，其原因是GPU加速GMX时CPU部分的计算是纯OpenMP并行，这种并行模式在高并行度下并行效率低，且对CPU核心间通信延迟很敏感，而7R32的理论单核性能较差，其多核理论性能靠核心数量支撑，且CPU本身采用小芯片设计，48个CPU核心分布在6个CCD上，跨CCD延迟较高。 8369B虽然理论单核性能没有比7R32高很多，但它是单Die设计，核心间通信延迟很低，所以运行GPU加速GMX时其表现明显优于7R32（部分项目略低于之是因为受到客观条件限制，8369B使用了机架式平台，散热较差，RTX 4090高负载下的Boost频率比7R32所用的塔式平台低50MHz）。 7950X的表现比8369B更好，主要原因是其单核理论性能极强，达到了7R32、8369B的2倍以上，然而，7950X仍稍弱于13900K。 13900K采用了混合架构，P-Core与E-Core的性能差异极大，线程绑定的OpenMP并行在这种CPU上会使线程间有明显的负载不均衡问题，最终导致无法发挥出CPU的完整性能。从图1中也可发现，8-9核处普遍有一断层，但是，从第12核左右开始，混用P-Core与E-Core的速度就会反超使用8个P-Core的速度，intel Raptor Lake相较于前代Alder Lake增加E-Core数量、增大E-Core缓存、优化P-Core与E-Core间延迟是有明显益处的。13900K也是4款CPU中表现最好者。此外，从图中还可看出，24核稍慢于23核，因此，在使用13900K时，建议留一个E-Core供系统进程和GPU驱动使用，这也是GMX手册所建议的。 综上，在GPU加速GMX这一应用场景中对CPU的需求有以下特征：首先，需要单核性能与多核性能都强的CPU，相同理论多核性能下，单核越强、核数越少越好；其次，核心间通信延迟对CPU性能发挥有很大负面影响。
图2展示了4款CPU配合RTX 4090运行GMX、AMBER、NAMD3和LAMMPS的性能，0%基准线是7950X。前2幅小图是图1的另一种表现形式，从中可以发现，对于GMX，CPU多核性能对不以GPU-resident模式运行MD任务的速度有很大影响，但对GPU-resident模式影响较小。从后4幅小图中可以发现，CPU单核性能对4款MD软件运行MD任务的速度均有影响，其中对GMX和AMBER的影响很明显，而对NAMD3和LAMMPS的影响相对小一些。 再谈谈采购建议。若使用RTX 4090加速GMX，当下最佳搭档CPU是intel Core i9 13900KF，如果采购时发现AMD Ryzen R9 7950X及其主板的价格远低于前者，也可买之。如果预算较低，打算选4080 16GB、3090Ti级别的GPU，推荐13700KF，不推荐7900X。暂不推荐任何服务器CPU，尤其是AMD EPYC CPU，若已有这类CPU，可在此基础上添加多块RTX 4090，为每块RTX 4090保留8-16核，以GPU-resident模式运行MD模拟。采购用于搭配RTX 4090运行AMBER、NAMD3或LAMMPS的CPU时，单核性能同样是首要关注因素，但不必选13900K，用13600KF配2块RTX 4090即可。
4 RTX4090实际性能是否“翻倍”？ RTX 4090的理论性能是RTX 3090Ti的2倍，这一次的性能提升可能是十多年来NVIDIA消费级GPU性能提升最大的一次，非常有必要测试并对比两者用于GPU加速经典MD模拟时的实际性能。此外，实际做研究时，在系统稳定的前提下计算速度越快越好，能效并不重要，超频是可行的操作，笔者自己跑生产模拟时也会对硬件进行一些保守的超频，所以有必要测试保守超频的收益。
图3展示了RTX 4090和超频150MHz且功耗上限提升至600W的RTX 4090相较于RTX 3090Ti在各MD任务下的性能提升百分比，数据在3号和4号硬件平台（13900K平台）上测得。从图中可以发现，RTX 4090运行经典MD模拟的性能并没有实现普遍的“翻倍”，在不同模型、不同软件下的表现各不相同，超频收益普遍较明显。 对于GMX，当成键相互作用在CPU上计算时，不同模型的表现差异非常大，其中A-2模型极低的提升幅度显然是由于CPU性能有严重瓶颈，benchPEP-h模型提升幅度较低是因为CPU-GPU通信有明显瓶颈，这些都已在第3节有所讨论。从图1中可以知道，上述2个模型以GPU-resident模式运行速度明显更快，在实际生产模拟中必然会以GPU-resident模式运行，故可忽略图3第1幅小图中的这2个模型。当GMX以GPU-resident模式运行时，不同模型的表现差异显著缩小。对于GMX和AMBER来说，几个STMV模型基本实现了“翻倍”，其中AMBER的STMV-NPT模型提升幅度高达108.65%。作为“纯GPU”程序，AMBER和NAMD3下各个模型的提升幅度均达到了70%以上；AMBER的上限更高，且超频收益与超频幅度相符；而NAMD3下没有任何模型实现“翻倍”，超频的收益也不大。对于LAMMPS，LJ 2.5和EAM两个任务中RTX 4090性能实现“翻倍”，Tersoff任务离“翻倍”还有较大距离。而对比 NVIDIA公布的测试结果，RTX 4090运行LAMMPS的性能（具体数据见SI）仍明显不如A100，甚至不如V100，这显然是因为RTX 4090无FP64执行单元，双精度浮点性能太弱。总之，以上结果体现了模型大小以及MD程序本身的设计对RTX 4090性能发挥的重要影响，实际上，模型大小的影响在一定程度上是软件优化的问题。 此外，通过检查nvidia-smi dmon性能监控日志还可发现，在测试运行过程中，全程显存占用率不超过60%，对GMX而言甚至不超过40%，所以显存不存在瓶颈，这否定了此前一些人关于“显存瓶颈”的猜想。需注意，显存占用率和显存使用量不同，前者是指在采样周期内GPU读写显存的时间百分比。 结合本节和第3节内容可得出结论：当前，制约RTX 4090的性能在GMX、AMBER、NAMD3和LAMMPS中发挥的主要瓶颈是CPU单核性能以及软件优化，对于GMX，CPU多核性能、CPU核间通信延迟以及CPU-GPU通信能力是次要瓶颈；当前，RTX 4090运行经典MD模拟的性能相较于RTX 3090Ti总体上有62~109%的提升，在使用合适的软件和模型的情况下，确实可实现“翻倍”，超频150MHz后实际提升幅度为1~6%。如今Ada Lovelace架构刚刚上市，并无针对性优化，预计在将来几个月，随着几款MD软件以及编译器和驱动层面对于Ada Lovelace架构的优化，RTX 4090运行MD模拟的性能还会有进一步提升。
5 GMX、AMBER、NAMD3速度对比 图4选取了在3号和4号硬件平台（13900K平台）上测得的数据，以在单CPU线程、GPU-resident模式下运行GMX的速度为100%基准；“max perf.”指的是图1中相应曲线最高点的数值，即充分利用13900K CPU资源后能达到的最高性能。从图4中可发现，虽然GMX的GPU-resident模式未彻底将MD计算转移到GPU，但其只用1个CPU线程来与AMBER公平对比时并无明显弱势，而GMX充分利用CPU资源后，性能还有巨幅提升，最终远超AMBER；此外，NAMD3的性能明显弱于GMX和AMBER。综上，当前还是最推荐广大研究者使用GMX和AMBER做经典MD模拟，这2款软件性能都不错（根据NVIDIA的测试，后者多GPU并行效率极高），且在功能方面可以互补，足以胜任绝大部分研究工作。
6 特别篇：一些老数据 SI中提供了一些以前的测试数据（xlsx）。这些数据仅供参考，不在此作仔细讨论，但有一点应当注意：评估一款NVIDIA GPU加速MD模拟的性能不应只关注FP32，也应该看其他部分，例如Tensor Core。数据显示GTX 1080Ti加速MD模拟的性能不如RTX 4000，这是因为Turing架构（SM75）引入了Tensor Core，导致FP32只有7 TFLOPS的RTX 4000比FP32有11 TFLOPS的GTX 1080Ti还强。从Ampere架构（SM86）到Ada Lovelace架构（SM89）未改变SM中各类执行单元的比例，所以RTX 40系列相较于RTX 30系列FP32性能翻倍基本相当于MD模拟整体性能翻倍。至于采购建议，若预算极低，需要购买二手老GPU，极不推荐没有Tensor Core的NVIDIA GPU。
SI
致谢 本次测试所用的硬件由bilibili UP主 @51972和庚子计算（济南庚子矩阵云科技有限公司）远程赞助，同时感谢他们专业且高效的协作，使本次测试得以顺利完成。
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perf_data_4090.xlsx
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perf_data_previous.xlsx
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发表于 Post on 2022-10-31 17:16:49
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