[本文首发于计算化学公社 | 文 熵增焓减 | yult-entropy@qq.com | 2023-03]
0 写在前面
去年10月的文章中说：
“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。”
如今已过去5个月，是时候检验一下自己是否被打脸了。
1 测试平台
硬件：
| ID | CPU | GPU | 内存-RAM | 主板-Mother Board |
| 1 | AMD Ryzen R9 7950X | NVIDIA GeForce RTX 4090 | DDR5 5600MT/s 16GB x2 | ASUS TUF GAMING X670E-PLUS |
| 2 | intel Core i9 13900KF | ASUS PRIME Z790-P |
软件环境：Ubuntu 22.04.2 LTS Desktop; Linux version 5.19.0-35-generic x86_64; GNU 11.3; CUDA Toolkit 12.1 / 11.8; NVIDIA GPU Driver 530.30.02
2 测试程序信息及相应模型参数
模型同2022年10月测试。
GMX编译了2023（CUDA runtime V12.1）、2022.5（CUDA runtime V12.1）、2022.5（CUDA runtime V11.8）、2022.3（CUDA runtime V12.1）。LAMMPS版本为8Feb2023，使用cmake预设“basic.cmake”和“kokkos-cuda.cmake”进行编译（“kokkos-cuda.cmake”中“Kokkos_ARCH_PASCAL60”改为“Kokkos_ARCH_ADA89”），同时额外指定编译REAXFF包（-D PKG_REAXFF=on）。由于AMBER22和NAMD3从去年10月至今都未更新，故这2者使用与去年10月测试完全相同的版本。虽然AMBER22是从源码编译，理论上可以自己改cmake脚本（比如修改编译器兼容性检测语句并加入SM89相关flags），但这不是合适的做法，且经过笔者实际测试，修改cmake脚本的CUDA配置模块后，基于NVCC 12.1.66编译仍然会在编译末期出错，若还是基于NVCC 11.8.89编译，虽然编译能完成，但实际测试发现性能毫无变化，故放弃此做法。
3 RTX 4090变快了多少？
如图1，从去年10月到现在，4090在4款MD软件下均有性能提升。对GMX来说，GPU-resident模式下提升最明显，最高达到了19%，平均12%左右；在bonded CPU的情况下提升也很大，平均7%左右，但对于像A-2这样bonded计算量很大的模型则没有提升，毕竟瓶颈在于CPU；在单线程的GPU-resident模式下也有平均5%左右的提升。此外，B-TI模型下的提升普遍比较小，因为CPU需要负责与自由能相关的计算，CPU瓶颈也比较明显。对AMBER22和NAMD3来说，由于至今未更新，本次测试与去年10月测试唯一的区别就是GPU驱动版本，故提升非常小。对LAMMPS来说，Tersoff模型下提升尤其明显，达到了27.5%，而另外2个模型提升却微乎其微，不过，这次测试中ReaxFF/C模型可以成功运行，只是缺少去年10月的数据作为对照，故没有在图中展示，SI中有详细数据。虽然RTX 4090跑LAMMPS变快了，个别情况下甚至变快了27%以上，但性价比还是明显不如1000多元一块的P100和5000多元一块的V100 16G，故本文对LAMMPS的测试结果仅供参考。
图 1
4 RTX 4090变快的原因
既然已经可以确认如今RTX 4090加速经典MD的性能相较于去年10月变快了，那么其中原因值得思考。
图 2
观察图2可以发现，对GMX2022.3来说，即使使用最新的CUDA和GPU驱动版本，性能提升幅度也只有3%以下，换到GMX2022.5后，即使CUDA runtime为RTX 4090刚发布时的11.8版本，性能与2022.3相比也有大幅提升，若把CUDA升级到12.1，性能却又有轻微的降低，而再把GMX升级到2023版，性能又有了一些提升，其中GPU-resident模式的性能提升更明显。查询GMX2023 Release notes可知，GMX2023确实有一些性能优化，但其中CUDA PME decomposition、CUDA Graphs和VkFFT并未在本次测试中涉及，且本次测试本来就指定了update GPU，故“Update will run on GPU by default”也不是本次测试中GMX2023性能提升的原因。
总结前面的情况，并阅读各软件的手册可以得出，让4090“变快”的原因有以下几条，其中加粗的条目是主要影响因素。
- NVIDIA GPU驱动层面优化了性能；
- 8及以后版本的CUDA适配了ADA架构，对ADA架构有特别优化（需在编译时通过指定相应的NVCC编译器flags以激活此优化）；
- GMX较新版本的NVCC编译flags中增加了ADA架构（SM89）的相关条目以匹配8及以后版本的CUDA（最简单的检查方法是运行gmx -version命令，观察输出的“CUDA compiler flags”条目）；
- LAMMPS较新版本的Kokkos模块的NVCC编译flags中增加了ADA架构（SM89）的相关条目以匹配8及以后版本的CUDA；
- GMX2023小幅优化了单GPU模拟的性能（一般不会被手动指定的nsttcouple和nstpcouple这2个MDP选项的默认值从10 steps增加到了100 steps；全局通信频率不再取决于nstlist）。
Anyway，现在更加可以说RTX 4090相较于RTX 3090Ti“性能翻倍”了！
SI
经简单整理的测试结果原始数据（MD_benchmark_data_Mar2023_Pub1.xlsx）。文件下载地址：https://www.aliyundrive.com/s/BwFL1TohoZU，提取码：15fd
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