api/nblib/listed_forces/kernels.hpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2020, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 /*! \inpublicapi \file
  36  * \brief
  37  * Implements kernels for nblib supported bondtypes
  38  *
  39  * \author Victor Holanda <victor.holanda@cscs.ch>
  40  * \author Joe Jordan <ejjordan@kth.se>
  41  * \author Prashanth Kanduri <kanduri@cscs.ch>
  42  * \author Sebastian Keller <keller@cscs.ch>
  43  * \author Artem Zhmurov <zhmurov@gmail.com>
  44  */
  45 #ifndef NBLIB_LISTEDFORCES_KERNELS_HPP
  46 #define NBLIB_LISTEDFORCES_KERNELS_HPP
  47
  48 #include <tuple>
  49
  50 #include "gromacs/math/functions.h"
  51 #include "gromacs/math/vectypes.h"
  52 #include "nblib/listed_forces/bondtypes.h"
  53
  54 #define NBLIB_ALWAYS_INLINE __attribute((always_inline))
  55
  56 namespace nblib
  57 {
  58
  59 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for simple harmonic bond forces
  60  *         for lambda = 0
  61  *
  62  * \param k spring constant
  63  * \param x0 equilibrium distance
  64  * \param x  input bond length
  65  *
  66  * \return tuple<force, potential energy>
  67  */
  68 template <class T>
  69 inline std::tuple<T, T> harmonicScalarForce(T k, T x0, T x)
  70 {
  71     T dx  = x - x0;
  72     T dx2 = dx * dx;
  73
  74     T force = -k * dx;
  75     T epot = 0.5 * k * dx2;
  76
  77     return std::make_tuple(force, epot);
  78
  79     /* That was 6 flops */
  80 }
  81
  82 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for simple harmonic bond forces
  83  *         for non-zero lambda to interpolate between A and B states
  84  *
  85  * \param kA spring constant state A
  86  * \param kB spring constant state B
  87  * \param xA equilibrium distance state A
  88  * \param xB equilibrium distance state B
  89  * \param x  input bond length
  90  * \param lambda interpolation factor between A and B state
  91  *
  92  * \return tuple<force, potential energy, lambda-interpolated energy>
  93  */
  94 template <class T>
  95 inline std::tuple<T, T, T> harmonicScalarForce(T kA, T kB, T xA, T xB, T x, T lambda)
  96 {
  97     // code unchanged relative to Gromacs
  98
  99     T L1 = 1.0 - lambda;
 100     T kk = L1 * kA + lambda * kB;
 101     T x0 = L1 * xA + lambda * xB;
 102
 103     T dx  = x - x0;
 104     T dx2 = dx * dx;
 105
 106     T force     = -kk * dx;
 107     T epot      = 0.5 * kk * dx2;
 108     T dvdlambda = 0.5 * (kB - kA) * dx2 + (xA - xB) * kk * dx;
 109
 110     return std::make_tuple(force, epot, dvdlambda);
 111
 112     /* That was 19 flops */
 113 }
 114
 115 //! abstraction layer for different 2-center bonds
 116 template <class T>
 117 inline auto bondKernel(T dr, const HarmonicBondType& bond)
 118 {
 119     return harmonicScalarForce(bond.forceConstant(), bond.equilConstant(), dr);
 120 }
 121
 122
 123 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for the forth power pontential bond forces
 124  *         for lambda = 0
 125  *
 126  * \param k spring constant
 127  * \param x0 squared equilibrium distance
 128  * \param x  squared input bond length
 129  *
 130  * \return tuple<force, potential energy>
 131  */
 132 template <class T>
 133 inline std::tuple<T, T> g96ScalarForce(T k, T x0, T x)
 134 {
 135     T dx  = x - x0;
 136     T dx2 = dx * dx;
 137
 138     T force = -k * dx;
 139     T epot = 0.5 * k * dx2;
 140
 141     return std::make_tuple(force, epot);
 142
 143     /* That was 6 flops */
 144 }
 145
 146 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for forth power pontential bond forces
 147  *         for non-zero lambda to interpolate between A and B states
 148  *
 149  * \param kA spring constant state A
 150  * \param kB spring constant state B
 151  * \param xA squared equilibrium distance state A
 152  * \param xB squared equilibrium distance state B
 153  * \param x  squared input bond length
 154  * \param lambda interpolation factor between A and B state
 155  *
 156  * \return tuple<force, potential energy, lambda-interpolated energy>
 157  */
 158 template <class T>
 159 inline std::tuple<T, T, T> g96ScalarForce(T kA, T kB, T xA, T xB, T x, T lambda)
 160 {
 161     T L1 = 1.0 - lambda;
 162     T kk = L1 * kA + lambda * kB;
 163     T x0 = L1 * xA + lambda * xB;
 164
 165     T dx  = x - x0;
 166     T dx2 = dx * dx;
 167
 168     T force = -kk * dx;
 169     T epot = 0.5 * kk * dx2;
 170     // TODO: Check if this is 1/2 or 1/4
 171     T dvdlambda = 0.5 * (kB - kA) * dx2 + (xA - xB) * kk * dx;
 172
 173     return std::make_tuple(force, epot, dvdlambda);
 174
 175     /* That was 21 flops */
 176 }
 177
 178 //! Abstraction layer for different 2-center bonds. Fourth power case
 179 template <class T>
 180 inline auto bondKernel(T dr, const G96BondType& bond)
 181 {
 182     auto [force, ePot] = g96ScalarForce(bond.forceConstant(), bond.equilConstant(), dr*dr);
 183     force *= dr;
 184     ePot  *= 0.5;
 185     return std::make_tuple(force, ePot);
 186 }
 187
 188
 189 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for the morse pontential bond forces
 190  *         for lambda = 0
 191  *
 192  * \param k force constant
 193  * \param beta beta exponent
 194  * \param x0 equilibrium distance
 195  * \param x  input bond length
 196  *
 197  * \return tuple<force, potential energy>
 198  */
 199 template <class T>
 200 inline std::tuple<T, T> morseScalarForce(T k, T beta, T x0, T x)
 201 {
 202     T exponent = std::exp(-beta * (x - x0));      /* 12 */
 203     T omexp = 1.0 - exponent;                     /*  1 */
 204     T kexp = k * omexp;                           /*  1 */
 205
 206     T epot = kexp * omexp;                        /*  1 */
 207     T force = -2.0 * beta * exponent * kexp;      /*  4 */
 208
 209     return std::make_tuple(force, epot);
 210
 211     /* That was 20 flops */
 212 }
 213
 214 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for morse potential bond forces
 215  *         for non-zero lambda to interpolate between A and B states
 216  *
 217  * \param kA force constant state A
 218  * \param kB force constant state B
 219  * \param betaA beta exponent state A
 220  * \param betaB beta exponent state B
 221  * \param xA equilibrium distance state A
 222  * \param xB equilibrium distance state B
 223  * \param x  input bond length
 224  * \param lambda interpolation factor between A and B state
 225  *
 226  * \return tuple<force, potential energy, lambda-interpolated energy>
 227  */
 228 template <class T>
 229 inline std::tuple<T, T, T> morseScalarForce(T kA, T kB, T betaA, T betaB, T xA, T xB, T x, T lambda)
 230 {
 231     T L1 = 1.0 - lambda;                          /* 1 */
 232     T x0 = L1 * xA + lambda * xB;                 /* 3 */
 233     T beta = L1 * betaA + lambda * betaB;         /* 3 */
 234     T k = L1 * kA + lambda * kB;                  /* 3 */
 235
 236     T exponent = std::exp(-beta * (x - x0));      /* 12 */
 237     T omexp = 1.0 - exponent;                     /*  1 */
 238     T kexp = k * omexp;                           /*  1 */
 239
 240     T epot = kexp * omexp;                        /*  1 */
 241     T force = -2.0 * beta * exponent * kexp;      /*  4 */
 242
 243     T dvdlambda = (kB - kA) * omexp * omexp
 244                     - (2.0 - 2.0 * omexp) * omexp * k
 245                     * ((xB - xA) * beta - (betaB - betaA) * (x - x0)); /* 15 */
 246
 247     return std::make_tuple(force, epot, dvdlambda);
 248
 249     /* That was 44 flops */
 250 }
 251
 252 //! Abstraction layer for different 2-center bonds. Morse case
 253 template <class T>
 254 inline auto bondKernel(T dr, const MorseBondType& bond)
 255 {
 256     return morseScalarForce(bond.forceConstant(), bond.exponent(), bond.equilDistance(), dr);
 257 }
 258
 259
 260 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for the FENE pontential bond forces
 261  *         for lambda = 0
 262  *
 263  * \param k spring constant
 264  * \param x0 equilibrium distance
 265  * \param x  input bond length
 266  *
 267  * \return tuple<force, potential energy>
 268  */
 269 template <class T>
 270 inline std::tuple<T, T> FENEScalarForce(T k, T x0, T x)
 271 {
 272     T x02 = x0 * x0;
 273     T x2 = x * x;
 274
 275     T omx2_ox02 = 1.0 - (x2 / x02);
 276
 277     T epot = -0.5 * k * x02 * std::log(omx2_ox02);
 278     T force = -k / omx2_ox02;
 279
 280     return std::make_tuple(force, epot);
 281
 282     /* That was 24 flops */
 283 }
 284
 285 // TODO: Implement the free energy version of FENE (finitely extensible nonlinear elastic) bond types
 286
 287 //! Abstraction layer for different 2-center bonds. FENE case
 288 template <class T>
 289 inline auto bondKernel(T dr, const FENEBondType& bond)
 290 {
 291     auto [force, ePot] = FENEScalarForce(bond.forceConstant(), bond.equilConstant(), dr);
 292     force *= dr;
 293     return std::make_tuple(force, ePot);
 294 }
 295
 296
 297 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for cubic potential bond forces
 298  *         for lambda = 0
 299  *
 300  * \param kc cubic spring constant
 301  * \param kq quadratic spring constant
 302  * \param x0 equilibrium distance
 303  * \param x  input bond length
 304  *
 305  * \return tuple<force, potential energy>
 306  */
 307 template <class T>
 308 inline std::tuple<T, T> cubicScalarForce(T kc, T kq, T x0, T x)
 309 {
 310     T dx = x - x0;
 311     //T dx2 = dx * dx;
 312
 313     T kdist  = kq * dx;
 314     T kdist2 = kdist * dx;
 315
 316     T epot = kdist2 + (kc * kdist2 * dx);
 317     T force = -((2.0 * kdist) + (3.0 * kdist2 * kc));
 318
 319     return std::make_tuple(force, epot);
 320
 321     /* That was 16 flops */
 322 }
 323
 324 // TODO: Implement the free energy version of Cubic bond types
 325
 326 template <class T>
 327 inline auto bondKernel(T dr, const CubicBondType& bond)
 328 {
 329     return cubicScalarForce(bond.cubicForceConstant(), bond.quadraticForceConstant(), bond.equilDistance(), dr);
 330 }
 331
 332
 333 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for half attractive potential bond forces
 334  *         for lambda = 0
 335  *
 336  * \param k spring constant
 337  * \param x0 equilibrium distance
 338  * \param x  input bond length
 339  *
 340  * \return tuple<force, potential energy>
 341  */
 342 template <class T>
 343 inline std::tuple<T, T> halfAttractiveScalarForce(T k, T x0, T x)
 344 {
 345     T dx = x - x0;
 346     T dx2 = dx * dx;
 347     T dx3 = dx2 * dx;
 348     T dx4 = dx2 * dx2;
 349
 350     T epot = -0.5 * k * dx4;
 351     T force = -2.0 * k * dx3;
 352
 353     return std::make_tuple(force, epot);
 354
 355     /* That was 10 flops */
 356 }
 357
 358 /*! \brief kernel to calculate the scalar part for half attractive potential bond forces
 359  *         for non-zero lambda to interpolate between A and B states
 360  *
 361  * \param kA spring constant state A
 362  * \param kB spring constant state B
 363  * \param xA equilibrium distance state A
 364  * \param xB equilibrium distance state B
 365  * \param x  input bond length
 366  * \param lambda interpolation factor between A and B state
 367  *
 368  * \return tuple<force, potential energy, lambda-interpolated energy>
 369  */
 370 template <class T>
 371 inline std::tuple<T, T, T> halfAttractiveScalarForce(T kA, T kB, T xA, T xB, T x, T lambda)
 372 {
 373     T L1 = 1.0 - lambda;
 374     T kk = L1 * kA + lambda * kB;
 375     T x0 = L1 * xA + lambda * xB;
 376
 377     T dx  = x - x0;
 378     T dx2 = dx * dx;
 379     T dx3 = dx2 * dx;
 380     T dx4 = dx2 * dx2;
 381
 382     T epot = -0.5 * kk * dx4;
 383     T force = -2.0 * kk * dx3;
 384     T dvdlambda = 0.5 * (kB - kA) * dx4 + (2.0 * (xA - xB) * kk * dx3);
 385
 386     return std::make_tuple(force, epot, dvdlambda);
 387
 388     /* That was 29 flops */
 389 }
 390
 391 template <class T>
 392 inline auto bondKernel(T dr, const HalfAttractiveQuarticBondType& bond)
 393 {
 394     return halfAttractiveScalarForce(bond.forceConstant(), bond.equilConstant(), dr);
 395 }
 396
 397
 398 //! Three-center interaction type kernels
 399
 400
 401 //! Harmonic Angle
 402 template <class T>
 403 inline auto threeCenterKernel(T dr, const HarmonicAngle& angle)
 404 {
 405     return harmonicScalarForce(angle.forceConstant(), angle.equilConstant(), dr);
 406 }
 407
 408
 409 //! \brief Computes and returns the proper dihedral force
 410 template <class T>
 411 inline auto fourCenterKernel(T phi, const ProperDihedral& properDihedral)
 412 {
 413     T deltaPhi = properDihedral.multiplicity() * phi - properDihedral.equilDistance();
 414     T force = -properDihedral.forceConstant() * properDihedral.multiplicity() * std::sin(deltaPhi);
 415     T ePot = properDihedral.forceConstant() * ( 1 + std::cos(deltaPhi) );
 416     return std::make_tuple(force, ePot);
 417 }
 418
 419
 420 //! \brief Ensure that a geometric quantity lies in (-pi, pi)
 421 template<class T>
 422 inline void makeAnglePeriodic(T& angle)
 423 {
 424     if (angle >= M_PI)
 425     {
 426         angle -= 2 * M_PI;
 427     }
 428     else if (angle < -M_PI)
 429     {
 430         angle += 2 * M_PI;
 431     }
 432 }
 433
 434 /*! \brief calculate the cosine of the angle between aInput and bInput
 435  *
 436  * \tparam T       float or double
 437  * \param aInput   aInput 3D vector
 438  * \param bInput   another 3D vector
 439  * \return         the cosine of the angle between aInput and bInput
 440  *
 441  *                       ax*bx + ay*by + az*bz
 442  * cos(aInput,bInput) = -----------------------, where aInput = (ax, ay, az)
 443  *                      ||aInput|| * ||bInput||
 444  */
 445 template<class T>
 446 inline T basicVectorCosAngle(gmx::BasicVector<T> aInput, gmx::BasicVector<T> bInput)
 447 {
 448     gmx::BasicVector<double> a_double(aInput[0], aInput[1], aInput[2]);
 449     gmx::BasicVector<double> b_double(bInput[0], bInput[1], bInput[2]);
 450
 451     double numerator     = dot(a_double, b_double);
 452     double denominatorSq = dot(a_double, a_double) * dot(b_double, b_double);
 453
 454     T cosval = (denominatorSq > 0) ? static_cast<T>(numerator * gmx::invsqrt(denominatorSq)) : 1;
 455     cosval   = std::min(cosval, T(1.0));
 456
 457     /* 25 TOTAL */
 458     return std::max(cosval, T(-1.0));
 459 }
 460
 461 /*! \brief compute the angle between vectors a and b
 462  *
 463  * \tparam T    scalar type (float, double, or similar)
 464  * \param a     a 3D vector
 465  * \param b     another 3D vector
 466  * \return      the angle between a and b
 467  *
 468  * This routine calculates the angle between a & b without any loss of accuracy close to 0/PI.
 469  *
 470  * Note: This function is not (yet) implemented for the C++ replacement of the
 471  * deprecated rvec and dvec.
 472  */
 473 template<class T>
 474 inline T basicVectorAngle(gmx::BasicVector<T> a, gmx::BasicVector<T> b)
 475 {
 476     gmx::BasicVector<T> w = cross(a, b);
 477
 478     T wlen = norm(w);
 479     T s    = dot(a, b);
 480
 481     return std::atan2(wlen, s);
 482 }
 483
 484 /*! \brief Computes the dihedral phi angle and two cross products
 485  *
 486  * \tparam T        scalar type (float or double, or similar)
 487  * \param[in] dxIJ
 488  * \param[in] dxKJ
 489  * \param[in] dxKL
 490  * \param[out] m    output for \p dxIJ x \p dxKJ
 491  * \param[out] n    output for \p dxKJ x \p dxKL
 492  * \return          the angle between m and n
 493  */
 494 template<class T>
 495 inline T dihedralPhi(gmx::BasicVector<T> dxIJ,
 496                      gmx::BasicVector<T> dxKJ,
 497                      gmx::BasicVector<T> dxKL,
 498                      gmx::BasicVector<T>* m,
 499                      gmx::BasicVector<T>* n)
 500 {
 501     *m = cross(dxIJ, dxKJ);
 502     *n = cross(dxKJ, dxKL);
 503     T phi  = basicVectorAngle(*m, *n);
 504     T ipr  = dot(dxIJ, *n);
 505     T sign = (ipr < 0.0) ? -1.0 : 1.0;
 506     phi    = sign * phi;
 507     return phi;
 508 }
 509
 510 //! \brief Computes and returns the improper dihedral force
 511 template <class T>
 512 inline auto fourCenterKernel(T phi, const ImproperDihedral& improperDihedral)
 513 {
 514     T deltaPhi = phi - improperDihedral.equilConstant();
 515     /* deltaPhi cannot be outside (-pi,pi) */
 516     makeAnglePeriodic(deltaPhi);
 517     const T force = -improperDihedral.forceConstant()  * deltaPhi;
 518     const T ePot = 0.5 * improperDihedral.forceConstant() * deltaPhi * deltaPhi;
 519     return std::make_tuple(force, ePot);
 520 }
 521
 522 //! \brief Computes and returns the Ryckaert-Belleman dihedral force
 523 template <class T>
 524 inline auto fourCenterKernel(T phi, const RyckaertBellemanDihedral& ryckaertBellemanDihedral)
 525 {
 526     /* Change to polymer convention */
 527     const T localPhi = (phi < 0) ? (phi += M_PI) : (phi -= M_PI);
 528     T cos_phi = std::cos(localPhi);
 529     T ePot = ryckaertBellemanDihedral[0];
 530     T force = 0;
 531     T cosineFactor = 1;
 532
 533     for (int i = 1; i < int(ryckaertBellemanDihedral.size()); i++)
 534     {
 535         force += ryckaertBellemanDihedral[i] * cosineFactor * i;
 536         cosineFactor *= cos_phi;
 537         ePot += cosineFactor * ryckaertBellemanDihedral[i];
 538     }
 539     /* Beware of accuracy loss, cannot use 1-sqrt(cos^2) ! */
 540     force = -force * std::sin(localPhi);
 541     return std::make_tuple(force, ePot);
 542 }
 543
 544 //! Two-center category common
 545
 546 //! \brief add shift forces, if requested (static compiler decision)
 547 template<class T, class ShiftForce>
 548 inline void
 549 addShiftForce(const gmx::BasicVector<T>& interactionForce, ShiftForce* shiftForce)
 550 {
 551     *shiftForce += interactionForce;
 552 }
 553
 554 //! \brief this will be called if shift forces are not computed (and removed by the compiler)
 555 template<class T>
 556 inline void addShiftForce([[maybe_unused]] const gmx::BasicVector<T>& fij,
 557                           [[maybe_unused]] std::nullptr_t*)
 558 {
 559 }
 560
 561 /*! \brief Spreads and accumulates the bonded forces to the two atoms and adds the virial contribution when needed
 562  *
 563  * \p shiftIndex is used as the periodic shift.
 564  */
 565 template <class T, class ShiftForce>
 566 inline void spreadTwoCenterForces(const T bondForce,
 567                                   const gmx::BasicVector<T>& dx,
 568                                   gmx::BasicVector<T>*       force_i,
 569                                   gmx::BasicVector<T>*       force_j,
 570                                   ShiftForce*                shf_ij,
 571                                   ShiftForce*                shf_c)
 572 {
 573     gmx::BasicVector<T> fij = bondForce * dx;
 574     *force_i += fij;
 575     *force_j -= fij;
 576
 577     addShiftForce(fij, shf_ij);
 578     addShiftForce(T(-1.0)*fij, shf_c);
 579     /* 15 Total */
 580 }
 581
 582 //! Three-center category common
 583
 584 /*! \brief spread force to 3 centers based on scalar force and angle
 585  *
 586  * \tparam T
 587  * \param cos_theta
 588  * \param force
 589  * \param r_ij
 590  * \param r_kj
 591  * \param force_i
 592  * \param force_j
 593  * \param force_k
 594  */
 595 template <class T, class ShiftForce>
 596 inline void spreadThreeCenterForces(T                          cos_theta,
 597                                     T                          force,
 598                                     const gmx::BasicVector<T>& r_ij,
 599                                     const gmx::BasicVector<T>& r_kj,
 600                                     gmx::BasicVector<T>*       force_i,
 601                                     gmx::BasicVector<T>*       force_j,
 602                                     gmx::BasicVector<T>*       force_k,
 603                                     ShiftForce*                shf_ij,
 604                                     ShiftForce*                shf_kj,
 605                                     ShiftForce*                shf_c)
 606 {
 607     T cos_theta2 = cos_theta * cos_theta;
 608     if (cos_theta2 < 1)                              /*   1             */
 609     {
 610         T st    = force / std::sqrt(1 - cos_theta2); /*  12             */
 611         T sth   = st * cos_theta;                    /*   1             */
 612         T nrij2 = dot(r_ij, r_ij);                   /*   5             */
 613         T nrkj2 = dot(r_kj, r_kj);                   /*   5             */
 614
 615         T cik = st / std::sqrt(nrij2 * nrkj2);       /*  11             */
 616         T cii = sth / nrij2;                         /*   1             */
 617         T ckk = sth / nrkj2;                         /*   1             */
 618
 619         /*  33 */
 620         gmx::BasicVector<T> f_i = cii * r_ij - cik * r_kj;
 621         gmx::BasicVector<T> f_k = ckk * r_kj - cik * r_ij;
 622         gmx::BasicVector<T> f_j = T(-1.0) * (f_i + f_k);
 623         *force_i += f_i;
 624         *force_j += f_j;
 625         *force_k += f_k;
 626
 627         addShiftForce(f_i, shf_ij);
 628         addShiftForce(f_j, shf_c);
 629         addShiftForce(f_k, shf_kj);
 630
 631     } /* 70 TOTAL       */
 632 }
 633
 634 //! Four-center category common
 635 template <class T, class ShiftForce>
 636 inline void spreadFourCenterForces(T force,
 637                                    const gmx::BasicVector<T>& dxIJ,
 638                                    const gmx::BasicVector<T>& dxJK,
 639                                    const gmx::BasicVector<T>& dxKL,
 640                                    const gmx::BasicVector<T>& m,
 641                                    const gmx::BasicVector<T>& n,
 642                                    gmx::BasicVector<T>* force_i,
 643                                    gmx::BasicVector<T>* force_j,
 644                                    gmx::BasicVector<T>* force_k,
 645                                    gmx::BasicVector<T>* force_l,
 646                                    ShiftForce* shf_ij,
 647                                    ShiftForce* shf_kj,
 648                                    ShiftForce* shf_lj,
 649                                    ShiftForce* shf_c)
 650 {
 651     T norm2_m = dot(m, m);                             /* 5 */
 652     T norm2_n = dot(n, n);                             /* 5 */
 653     T norm2_jk = dot(dxJK, dxJK);                      /* 5 */
 654     T toler = norm2_jk * GMX_REAL_EPS;
 655     if ((norm2_m > toler) && (norm2_n > toler))
 656     {
 657         T rcp_norm2_jk = 1.0f / norm2_jk;              /* 1 */
 658         T norm_jk = std::sqrt(norm2_jk);               /* 10 */
 659
 660         T a = -force * norm_jk / norm2_m;              /* 11 */
 661         gmx::BasicVector<T> f_i = a * m;               /* 3 */
 662
 663         T b = force * norm_jk / norm2_n;               /* 11 */
 664         gmx::BasicVector<T> f_l = b * n;               /* 3 */
 665
 666         T p = rcp_norm2_jk * dot(dxIJ, dxJK);          /* 6 */
 667         T q = rcp_norm2_jk * dot(dxKL, dxJK);          /* 6 */
 668         gmx::BasicVector<T> svec = p * f_i - q * f_l;  /* 9 */
 669
 670         gmx::BasicVector<T> f_j = svec - f_i;          /* 3 */
 671         gmx::BasicVector<T> f_k = T(-1.0)*svec - f_l;  /* 6 */
 672
 673         *force_i += f_i;                               /* 3 */
 674         *force_j += f_j;                               /* 3 */
 675         *force_k += f_k;                               /* 3 */
 676         *force_l += f_l;                               /* 3 */
 677
 678         addShiftForce(f_i, shf_ij);
 679         addShiftForce(f_j, shf_c);
 680         addShiftForce(f_k, shf_kj);
 681         addShiftForce(f_l, shf_lj);
 682     }
 683 }
 684
 685 } // namespace nblib
 686
 687 #undef NBLIB_ALWAYS_INLINE
 688
 689 #endif // NBLIB_LISTEDFORCES_KERNELS_HPP