src/gmxlib/bondfree.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
   6  * check out http://www.gromacs.org for more information.
   7  * Copyright (c) 2012,2013, by the GROMACS development team, led by
   8  * David van der Spoel, Berk Hess, Erik Lindahl, and including many
   9  * others, as listed in the AUTHORS file in the top-level source
  10  * directory and at http://www.gromacs.org.
  11  *
  12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  15  * of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  20  * Lesser General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  23  * License along with GROMACS; if not, see
  24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  26  *
  27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  28  * consider that scientific software is very special. Version
  29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  33  * official version at http://www.gromacs.org.
  34  *
  35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  37  */
  38 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  39 #include <config.h>
  40 #endif
  41
  42 #include <math.h>
  43 #include <assert.h>
  44 #include "physics.h"
  45 #include "vec.h"
  46 #include "maths.h"
  47 #include "txtdump.h"
  48 #include "bondf.h"
  49 #include "smalloc.h"
  50 #include "pbc.h"
  51 #include "ns.h"
  52 #include "macros.h"
  53 #include "names.h"
  54 #include "gmx_fatal.h"
  55 #include "mshift.h"
  56 #include "main.h"
  57 #include "disre.h"
  58 #include "orires.h"
  59 #include "force.h"
  60 #include "nonbonded.h"
  61
  62 /* Include the SIMD macro file and then check for support */
  63 #include "gmx_simd_macros.h"
  64 #if defined GMX_HAVE_SIMD_MACROS && defined GMX_SIMD_HAVE_TRIGONOMETRIC
  65 #define SIMD_BONDEDS
  66 #include "gmx_simd_vec.h"
  67 #endif
  68
  69 /* Find a better place for this? */
  70 const int cmap_coeff_matrix[] = {
  71     1, 0, -3,  2, 0, 0,  0,  0, -3,  0,  9, -6,  2,  0, -6,  4,
  72     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  3,  0, -9,  6, -2,  0,  6, -4,
  73     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  9, -6,  0,  0, -6,  4,
  74     0, 0,  3, -2, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -9,  6,  0,  0,  6, -4,
  75     0, 0,  0,  0, 1, 0, -3,  2, -2,  0,  6, -4,  1,  0, -3,  2,
  76     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0, -1,  0,  3, -2,  1,  0, -3,  2,
  77     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  2,  0,  0,  3, -2,
  78     0, 0,  0,  0, 0, 0,  3, -2,  0,  0, -6,  4,  0,  0,  3, -2,
  79     0, 1, -2,  1, 0, 0,  0,  0,  0, -3,  6, -3,  0,  2, -4,  2,
  80     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  3, -6,  3,  0, -2,  4, -2,
  81     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  3,  0,  0,  2, -2,
  82     0, 0, -1,  1, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  3, -3,  0,  0, -2,  2,
  83     0, 0,  0,  0, 0, 1, -2,  1,  0, -2,  4, -2,  0,  1, -2,  1,
  84     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0, -1,  2, -1,  0,  1, -2,  1,
  85     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  1, -1,  0,  0, -1,  1,
  86     0, 0,  0,  0, 0, 0, -1,  1,  0,  0,  2, -2,  0,  0, -1,  1
  87 };
  88
  89
  90
  91 int glatnr(int *global_atom_index, int i)
  92 {
  93     int atnr;
  94
  95     if (global_atom_index == NULL)
  96     {
  97         atnr = i + 1;
  98     }
  99     else
 100     {
 101         atnr = global_atom_index[i] + 1;
 102     }
 103
 104     return atnr;
 105 }
 106
 107 static int pbc_rvec_sub(const t_pbc *pbc, const rvec xi, const rvec xj, rvec dx)
 108 {
 109     if (pbc)
 110     {
 111         return pbc_dx_aiuc(pbc, xi, xj, dx);
 112     }
 113     else
 114     {
 115         rvec_sub(xi, xj, dx);
 116         return CENTRAL;
 117     }
 118 }
 119
 120 #ifdef SIMD_BONDEDS
 121
 122 /* SIMD PBC data structure, containing 1/boxdiag and the box vectors */
 123 typedef struct {
 124     gmx_mm_pr inv_bzz;
 125     gmx_mm_pr inv_byy;
 126     gmx_mm_pr inv_bxx;
 127     gmx_mm_pr bzx;
 128     gmx_mm_pr bzy;
 129     gmx_mm_pr bzz;
 130     gmx_mm_pr byx;
 131     gmx_mm_pr byy;
 132     gmx_mm_pr bxx;
 133 } pbc_simd_t;
 134
 135 /* Set the SIMD pbc data from a normal t_pbc struct */
 136 static void set_pbc_simd(const t_pbc *pbc, pbc_simd_t *pbc_simd)
 137 {
 138     rvec inv_bdiag;
 139     int  d;
 140
 141     /* Setting inv_bdiag to 0 effectively turns off PBC */
 142     clear_rvec(inv_bdiag);
 143     if (pbc != NULL)
 144     {
 145         for (d = 0; d < pbc->ndim_ePBC; d++)
 146         {
 147             inv_bdiag[d] = 1.0/pbc->box[d][d];
 148         }
 149     }
 150
 151     pbc_simd->inv_bzz = gmx_set1_pr(inv_bdiag[ZZ]);
 152     pbc_simd->inv_byy = gmx_set1_pr(inv_bdiag[YY]);
 153     pbc_simd->inv_bxx = gmx_set1_pr(inv_bdiag[XX]);
 154
 155     if (pbc != NULL)
 156     {
 157         pbc_simd->bzx = gmx_set1_pr(pbc->box[ZZ][XX]);
 158         pbc_simd->bzy = gmx_set1_pr(pbc->box[ZZ][YY]);
 159         pbc_simd->bzz = gmx_set1_pr(pbc->box[ZZ][ZZ]);
 160         pbc_simd->byx = gmx_set1_pr(pbc->box[YY][XX]);
 161         pbc_simd->byy = gmx_set1_pr(pbc->box[YY][YY]);
 162         pbc_simd->bxx = gmx_set1_pr(pbc->box[XX][XX]);
 163     }
 164     else
 165     {
 166         pbc_simd->bzx = gmx_setzero_pr();
 167         pbc_simd->bzy = gmx_setzero_pr();
 168         pbc_simd->bzz = gmx_setzero_pr();
 169         pbc_simd->byx = gmx_setzero_pr();
 170         pbc_simd->byy = gmx_setzero_pr();
 171         pbc_simd->bxx = gmx_setzero_pr();
 172     }
 173 }
 174
 175 /* Correct distance vector *dx,*dy,*dz for PBC using SIMD */
 176 static gmx_inline void
 177 pbc_dx_simd(gmx_mm_pr *dx, gmx_mm_pr *dy, gmx_mm_pr *dz,
 178             const pbc_simd_t *pbc)
 179 {
 180     gmx_mm_pr sh;
 181
 182     sh  = gmx_round_pr(gmx_mul_pr(*dz, pbc->inv_bzz));
 183     *dx = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bzx, *dx);
 184     *dy = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bzy, *dy);
 185     *dz = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bzz, *dz);
 186
 187     sh  = gmx_round_pr(gmx_mul_pr(*dy, pbc->inv_byy));
 188     *dx = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->byx, *dx);
 189     *dy = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->byy, *dy);
 190
 191     sh  = gmx_round_pr(gmx_mul_pr(*dx, pbc->inv_bxx));
 192     *dx = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bxx, *dx);
 193 }
 194
 195 #endif /* SIMD_BONDEDS */
 196
 197 /*
 198  * Morse potential bond by Frank Everdij
 199  *
 200  * Three parameters needed:
 201  *
 202  * b0 = equilibrium distance in nm
 203  * be = beta in nm^-1 (actually, it's nu_e*Sqrt(2*pi*pi*mu/D_e))
 204  * cb = well depth in kJ/mol
 205  *
 206  * Note: the potential is referenced to be +cb at infinite separation
 207  *       and zero at the equilibrium distance!
 208  */
 209
 210 real morse_bonds(int nbonds,
 211                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 212                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 213                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 214                  real lambda, real *dvdlambda,
 215                  const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 216                  int *global_atom_index)
 217 {
 218     const real one = 1.0;
 219     const real two = 2.0;
 220     real       dr, dr2, temp, omtemp, cbomtemp, fbond, vbond, fij, vtot;
 221     real       b0, be, cb, b0A, beA, cbA, b0B, beB, cbB, L1;
 222     rvec       dx;
 223     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 224     ivec       dt;
 225
 226     vtot = 0.0;
 227     for (i = 0; (i < nbonds); )
 228     {
 229         type = forceatoms[i++];
 230         ai   = forceatoms[i++];
 231         aj   = forceatoms[i++];
 232
 233         b0A   = forceparams[type].morse.b0A;
 234         beA   = forceparams[type].morse.betaA;
 235         cbA   = forceparams[type].morse.cbA;
 236
 237         b0B   = forceparams[type].morse.b0B;
 238         beB   = forceparams[type].morse.betaB;
 239         cbB   = forceparams[type].morse.cbB;
 240
 241         L1 = one-lambda;                            /* 1 */
 242         b0 = L1*b0A + lambda*b0B;                   /* 3 */
 243         be = L1*beA + lambda*beB;                   /* 3 */
 244         cb = L1*cbA + lambda*cbB;                   /* 3 */
 245
 246         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3          */
 247         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5          */
 248         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10          */
 249         temp = exp(-be*(dr-b0));                    /*  12          */
 250
 251         if (temp == one)
 252         {
 253             /* bonds are constrainted. This may _not_ include bond constraints if they are lambda dependent */
 254             *dvdlambda += cbB-cbA;
 255             continue;
 256         }
 257
 258         omtemp    = one-temp;                                                                                        /*   1          */
 259         cbomtemp  = cb*omtemp;                                                                                       /*   1          */
 260         vbond     = cbomtemp*omtemp;                                                                                 /*   1          */
 261         fbond     = -two*be*temp*cbomtemp*gmx_invsqrt(dr2);                                                          /*   9          */
 262         vtot     += vbond;                                                                                           /*   1          */
 263
 264         *dvdlambda += (cbB - cbA) * omtemp * omtemp - (2-2*omtemp)*omtemp * cb * ((b0B-b0A)*be - (beB-beA)*(dr-b0)); /* 15 */
 265
 266         if (g)
 267         {
 268             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 269             ki = IVEC2IS(dt);
 270         }
 271
 272         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 273         {
 274             fij                 = fbond*dx[m];
 275             f[ai][m]           += fij;
 276             f[aj][m]           -= fij;
 277             fshift[ki][m]      += fij;
 278             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 279         }
 280     }                                         /*  83 TOTAL    */
 281     return vtot;
 282 }
 283
 284 real cubic_bonds(int nbonds,
 285                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 286                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 287                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 288                  real lambda, real *dvdlambda,
 289                  const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 290                  int *global_atom_index)
 291 {
 292     const real three = 3.0;
 293     const real two   = 2.0;
 294     real       kb, b0, kcub;
 295     real       dr, dr2, dist, kdist, kdist2, fbond, vbond, fij, vtot;
 296     rvec       dx;
 297     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 298     ivec       dt;
 299
 300     vtot = 0.0;
 301     for (i = 0; (i < nbonds); )
 302     {
 303         type = forceatoms[i++];
 304         ai   = forceatoms[i++];
 305         aj   = forceatoms[i++];
 306
 307         b0   = forceparams[type].cubic.b0;
 308         kb   = forceparams[type].cubic.kb;
 309         kcub = forceparams[type].cubic.kcub;
 310
 311         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 312         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 313
 314         if (dr2 == 0.0)
 315         {
 316             continue;
 317         }
 318
 319         dr         = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                  /*  10          */
 320         dist       = dr-b0;
 321         kdist      = kb*dist;
 322         kdist2     = kdist*dist;
 323
 324         vbond      = kdist2 + kcub*kdist2*dist;
 325         fbond      = -(two*kdist + three*kdist2*kcub)/dr;
 326
 327         vtot      += vbond;   /* 21 */
 328
 329         if (g)
 330         {
 331             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 332             ki = IVEC2IS(dt);
 333         }
 334         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 335         {
 336             fij                 = fbond*dx[m];
 337             f[ai][m]           += fij;
 338             f[aj][m]           -= fij;
 339             fshift[ki][m]      += fij;
 340             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 341         }
 342     }                                         /*  54 TOTAL    */
 343     return vtot;
 344 }
 345
 346 real FENE_bonds(int nbonds,
 347                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 348                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 349                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 350                 real lambda, real *dvdlambda,
 351                 const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 352                 int *global_atom_index)
 353 {
 354     const real half = 0.5;
 355     const real one  = 1.0;
 356     real       bm, kb;
 357     real       dr, dr2, bm2, omdr2obm2, fbond, vbond, fij, vtot;
 358     rvec       dx;
 359     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 360     ivec       dt;
 361
 362     vtot = 0.0;
 363     for (i = 0; (i < nbonds); )
 364     {
 365         type = forceatoms[i++];
 366         ai   = forceatoms[i++];
 367         aj   = forceatoms[i++];
 368
 369         bm   = forceparams[type].fene.bm;
 370         kb   = forceparams[type].fene.kb;
 371
 372         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 373         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 374
 375         if (dr2 == 0.0)
 376         {
 377             continue;
 378         }
 379
 380         bm2 = bm*bm;
 381
 382         if (dr2 >= bm2)
 383         {
 384             gmx_fatal(FARGS,
 385                       "r^2 (%f) >= bm^2 (%f) in FENE bond between atoms %d and %d",
 386                       dr2, bm2,
 387                       glatnr(global_atom_index, ai),
 388                       glatnr(global_atom_index, aj));
 389         }
 390
 391         omdr2obm2  = one - dr2/bm2;
 392
 393         vbond      = -half*kb*bm2*log(omdr2obm2);
 394         fbond      = -kb/omdr2obm2;
 395
 396         vtot      += vbond;   /* 35 */
 397
 398         if (g)
 399         {
 400             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 401             ki = IVEC2IS(dt);
 402         }
 403         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 404         {
 405             fij                 = fbond*dx[m];
 406             f[ai][m]           += fij;
 407             f[aj][m]           -= fij;
 408             fshift[ki][m]      += fij;
 409             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 410         }
 411     }                                         /*  58 TOTAL    */
 412     return vtot;
 413 }
 414
 415 real harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
 416               real *V, real *F)
 417 {
 418     const real half = 0.5;
 419     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
 420     real       v, f, dvdlambda;
 421
 422     L1    = 1.0-lambda;
 423     kk    = L1*kA+lambda*kB;
 424     x0    = L1*xA+lambda*xB;
 425
 426     dx    = x-x0;
 427     dx2   = dx*dx;
 428
 429     f          = -kk*dx;
 430     v          = half*kk*dx2;
 431     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
 432
 433     *F    = f;
 434     *V    = v;
 435
 436     return dvdlambda;
 437
 438     /* That was 19 flops */
 439 }
 440
 441
 442 real bonds(int nbonds,
 443            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 444            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 445            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 446            real lambda, real *dvdlambda,
 447            const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 448            int *global_atom_index)
 449 {
 450     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 451     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 452     rvec dx;
 453     ivec dt;
 454
 455     vtot = 0.0;
 456     for (i = 0; (i < nbonds); )
 457     {
 458         type = forceatoms[i++];
 459         ai   = forceatoms[i++];
 460         aj   = forceatoms[i++];
 461
 462         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 463         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 464         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 465
 466         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 467                                forceparams[type].harmonic.krB,
 468                                forceparams[type].harmonic.rA,
 469                                forceparams[type].harmonic.rB,
 470                                dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 471
 472         if (dr2 == 0.0)
 473         {
 474             continue;
 475         }
 476
 477
 478         vtot  += vbond;            /* 1*/
 479         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 480 #ifdef DEBUG
 481         if (debug)
 482         {
 483             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 484                     dr, vbond, fbond);
 485         }
 486 #endif
 487         if (g)
 488         {
 489             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 490             ki = IVEC2IS(dt);
 491         }
 492         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 493         {
 494             fij                 = fbond*dx[m];
 495             f[ai][m]           += fij;
 496             f[aj][m]           -= fij;
 497             fshift[ki][m]      += fij;
 498             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 499         }
 500     }               /* 59 TOTAL */
 501     return vtot;
 502 }
 503
 504 real restraint_bonds(int nbonds,
 505                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 506                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 507                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 508                      real lambda, real *dvdlambda,
 509                      const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 510                      int *global_atom_index)
 511 {
 512     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 513     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 514     real L1;
 515     real low, dlow, up1, dup1, up2, dup2, k, dk;
 516     real drh, drh2;
 517     rvec dx;
 518     ivec dt;
 519
 520     L1   = 1.0 - lambda;
 521
 522     vtot = 0.0;
 523     for (i = 0; (i < nbonds); )
 524     {
 525         type = forceatoms[i++];
 526         ai   = forceatoms[i++];
 527         aj   = forceatoms[i++];
 528
 529         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 530         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 531         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 532
 533         low  = L1*forceparams[type].restraint.lowA + lambda*forceparams[type].restraint.lowB;
 534         dlow =   -forceparams[type].restraint.lowA +        forceparams[type].restraint.lowB;
 535         up1  = L1*forceparams[type].restraint.up1A + lambda*forceparams[type].restraint.up1B;
 536         dup1 =   -forceparams[type].restraint.up1A +        forceparams[type].restraint.up1B;
 537         up2  = L1*forceparams[type].restraint.up2A + lambda*forceparams[type].restraint.up2B;
 538         dup2 =   -forceparams[type].restraint.up2A +        forceparams[type].restraint.up2B;
 539         k    = L1*forceparams[type].restraint.kA   + lambda*forceparams[type].restraint.kB;
 540         dk   =   -forceparams[type].restraint.kA   +        forceparams[type].restraint.kB;
 541         /* 24 */
 542
 543         if (dr < low)
 544         {
 545             drh         = dr - low;
 546             drh2        = drh*drh;
 547             vbond       = 0.5*k*drh2;
 548             fbond       = -k*drh;
 549             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dlow*drh;
 550         } /* 11 */
 551         else if (dr <= up1)
 552         {
 553             vbond = 0;
 554             fbond = 0;
 555         }
 556         else if (dr <= up2)
 557         {
 558             drh         = dr - up1;
 559             drh2        = drh*drh;
 560             vbond       = 0.5*k*drh2;
 561             fbond       = -k*drh;
 562             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dup1*drh;
 563         } /* 11 */
 564         else
 565         {
 566             drh         = dr - up2;
 567             vbond       = k*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh);
 568             fbond       = -k*(up2 - up1);
 569             *dvdlambda += dk*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh)
 570                 + k*(dup2 - dup1)*(up2 - up1 + drh)
 571                 - k*(up2 - up1)*dup2;
 572         }
 573
 574         if (dr2 == 0.0)
 575         {
 576             continue;
 577         }
 578
 579         vtot  += vbond;            /* 1*/
 580         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 581 #ifdef DEBUG
 582         if (debug)
 583         {
 584             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 585                     dr, vbond, fbond);
 586         }
 587 #endif
 588         if (g)
 589         {
 590             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 591             ki = IVEC2IS(dt);
 592         }
 593         for (m = 0; (m < DIM); m++)             /*  15          */
 594         {
 595             fij                 = fbond*dx[m];
 596             f[ai][m]           += fij;
 597             f[aj][m]           -= fij;
 598             fshift[ki][m]      += fij;
 599             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 600         }
 601     }                   /* 59 TOTAL     */
 602
 603     return vtot;
 604 }
 605
 606 real polarize(int nbonds,
 607               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 608               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 609               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 610               real lambda, real *dvdlambda,
 611               const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 612               int *global_atom_index)
 613 {
 614     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 615     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh;
 616     rvec dx;
 617     ivec dt;
 618
 619     vtot = 0.0;
 620     for (i = 0; (i < nbonds); )
 621     {
 622         type = forceatoms[i++];
 623         ai   = forceatoms[i++];
 624         aj   = forceatoms[i++];
 625         ksh  = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].polarize.alpha;
 626         if (debug)
 627         {
 628             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 629         }
 630
 631         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 632         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 633         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 634
 635         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 636
 637         if (dr2 == 0.0)
 638         {
 639             continue;
 640         }
 641
 642         vtot  += vbond;            /* 1*/
 643         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 644
 645         if (g)
 646         {
 647             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 648             ki = IVEC2IS(dt);
 649         }
 650         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 651         {
 652             fij                 = fbond*dx[m];
 653             f[ai][m]           += fij;
 654             f[aj][m]           -= fij;
 655             fshift[ki][m]      += fij;
 656             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 657         }
 658     }               /* 59 TOTAL */
 659     return vtot;
 660 }
 661
 662 real anharm_polarize(int nbonds,
 663                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 664                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 665                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 666                      real lambda, real *dvdlambda,
 667                      const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 668                      int *global_atom_index)
 669 {
 670     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 671     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh, khyp, drcut, ddr, ddr3;
 672     rvec dx;
 673     ivec dt;
 674
 675     vtot = 0.0;
 676     for (i = 0; (i < nbonds); )
 677     {
 678         type  = forceatoms[i++];
 679         ai    = forceatoms[i++];
 680         aj    = forceatoms[i++];
 681         ksh   = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].anharm_polarize.alpha; /* 7*/
 682         khyp  = forceparams[type].anharm_polarize.khyp;
 683         drcut = forceparams[type].anharm_polarize.drcut;
 684         if (debug)
 685         {
 686             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 687         }
 688
 689         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 690         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 691         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 692
 693         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 694
 695         if (dr2 == 0.0)
 696         {
 697             continue;
 698         }
 699
 700         if (dr > drcut)
 701         {
 702             ddr    = dr-drcut;
 703             ddr3   = ddr*ddr*ddr;
 704             vbond += khyp*ddr*ddr3;
 705             fbond -= 4*khyp*ddr3;
 706         }
 707         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 708         vtot  += vbond;            /* 1*/
 709
 710         if (g)
 711         {
 712             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 713             ki = IVEC2IS(dt);
 714         }
 715         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 716         {
 717             fij                 = fbond*dx[m];
 718             f[ai][m]           += fij;
 719             f[aj][m]           -= fij;
 720             fshift[ki][m]      += fij;
 721             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 722         }
 723     }               /* 72 TOTAL */
 724     return vtot;
 725 }
 726
 727 real water_pol(int nbonds,
 728                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 729                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 730                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 731                real lambda, real *dvdlambda,
 732                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 733                int *global_atom_index)
 734 {
 735     /* This routine implements anisotropic polarizibility for water, through
 736      * a shell connected to a dummy with spring constant that differ in the
 737      * three spatial dimensions in the molecular frame.
 738      */
 739     int  i, m, aO, aH1, aH2, aD, aS, type, type0;
 740     rvec dOH1, dOH2, dHH, dOD, dDS, nW, kk, dx, kdx, proj;
 741 #ifdef DEBUG
 742     rvec df;
 743 #endif
 744     real vtot, fij, r_HH, r_OD, r_nW, tx, ty, tz, qS;
 745
 746     vtot = 0.0;
 747     if (nbonds > 0)
 748     {
 749         type0  = forceatoms[0];
 750         aS     = forceatoms[5];
 751         qS     = md->chargeA[aS];
 752         kk[XX] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_x;
 753         kk[YY] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_y;
 754         kk[ZZ] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_z;
 755         r_HH   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rHH;
 756         r_OD   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rOD;
 757         if (debug)
 758         {
 759             fprintf(debug, "WPOL: qS  = %10.5f aS = %5d\n", qS, aS);
 760             fprintf(debug, "WPOL: kk  = %10.3f        %10.3f        %10.3f\n",
 761                     kk[XX], kk[YY], kk[ZZ]);
 762             fprintf(debug, "WPOL: rOH = %10.3f  rHH = %10.3f  rOD = %10.3f\n",
 763                     forceparams[type0].wpol.rOH,
 764                     forceparams[type0].wpol.rHH,
 765                     forceparams[type0].wpol.rOD);
 766         }
 767         for (i = 0; (i < nbonds); i += 6)
 768         {
 769             type = forceatoms[i];
 770             if (type != type0)
 771             {
 772                 gmx_fatal(FARGS, "Sorry, type = %d, type0 = %d, file = %s, line = %d",
 773                           type, type0, __FILE__, __LINE__);
 774             }
 775             aO   = forceatoms[i+1];
 776             aH1  = forceatoms[i+2];
 777             aH2  = forceatoms[i+3];
 778             aD   = forceatoms[i+4];
 779             aS   = forceatoms[i+5];
 780
 781             /* Compute vectors describing the water frame */
 782             rvec_sub(x[aH1], x[aO], dOH1);
 783             rvec_sub(x[aH2], x[aO], dOH2);
 784             rvec_sub(x[aH2], x[aH1], dHH);
 785             rvec_sub(x[aD], x[aO], dOD);
 786             rvec_sub(x[aS], x[aD], dDS);
 787             cprod(dOH1, dOH2, nW);
 788
 789             /* Compute inverse length of normal vector
 790              * (this one could be precomputed, but I'm too lazy now)
 791              */
 792             r_nW = gmx_invsqrt(iprod(nW, nW));
 793             /* This is for precision, but does not make a big difference,
 794              * it can go later.
 795              */
 796             r_OD = gmx_invsqrt(iprod(dOD, dOD));
 797
 798             /* Normalize the vectors in the water frame */
 799             svmul(r_nW, nW, nW);
 800             svmul(r_HH, dHH, dHH);
 801             svmul(r_OD, dOD, dOD);
 802
 803             /* Compute displacement of shell along components of the vector */
 804             dx[ZZ] = iprod(dDS, dOD);
 805             /* Compute projection on the XY plane: dDS - dx[ZZ]*dOD */
 806             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 807             {
 808                 proj[m] = dDS[m]-dx[ZZ]*dOD[m];
 809             }
 810
 811             /*dx[XX] = iprod(dDS,nW);
 812                dx[YY] = iprod(dDS,dHH);*/
 813             dx[XX] = iprod(proj, nW);
 814             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 815             {
 816                 proj[m] -= dx[XX]*nW[m];
 817             }
 818             dx[YY] = iprod(proj, dHH);
 819             /*#define DEBUG*/
 820 #ifdef DEBUG
 821             if (debug)
 822             {
 823                 fprintf(debug, "WPOL: dx2=%10g  dy2=%10g  dz2=%10g  sum=%10g  dDS^2=%10g\n",
 824                         sqr(dx[XX]), sqr(dx[YY]), sqr(dx[ZZ]), iprod(dx, dx), iprod(dDS, dDS));
 825                 fprintf(debug, "WPOL: dHH=(%10g,%10g,%10g)\n", dHH[XX], dHH[YY], dHH[ZZ]);
 826                 fprintf(debug, "WPOL: dOD=(%10g,%10g,%10g), 1/r_OD = %10g\n",
 827                         dOD[XX], dOD[YY], dOD[ZZ], 1/r_OD);
 828                 fprintf(debug, "WPOL: nW =(%10g,%10g,%10g), 1/r_nW = %10g\n",
 829                         nW[XX], nW[YY], nW[ZZ], 1/r_nW);
 830                 fprintf(debug, "WPOL: dx  =%10g, dy  =%10g, dz  =%10g\n",
 831                         dx[XX], dx[YY], dx[ZZ]);
 832                 fprintf(debug, "WPOL: dDSx=%10g, dDSy=%10g, dDSz=%10g\n",
 833                         dDS[XX], dDS[YY], dDS[ZZ]);
 834             }
 835 #endif
 836             /* Now compute the forces and energy */
 837             kdx[XX] = kk[XX]*dx[XX];
 838             kdx[YY] = kk[YY]*dx[YY];
 839             kdx[ZZ] = kk[ZZ]*dx[ZZ];
 840             vtot   += iprod(dx, kdx);
 841             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 842             {
 843                 /* This is a tensor operation but written out for speed */
 844                 tx        =  nW[m]*kdx[XX];
 845                 ty        = dHH[m]*kdx[YY];
 846                 tz        = dOD[m]*kdx[ZZ];
 847                 fij       = -tx-ty-tz;
 848 #ifdef DEBUG
 849                 df[m] = fij;
 850 #endif
 851                 f[aS][m] += fij;
 852                 f[aD][m] -= fij;
 853             }
 854 #ifdef DEBUG
 855             if (debug)
 856             {
 857                 fprintf(debug, "WPOL: vwpol=%g\n", 0.5*iprod(dx, kdx));
 858                 fprintf(debug, "WPOL: df = (%10g, %10g, %10g)\n", df[XX], df[YY], df[ZZ]);
 859             }
 860 #endif
 861         }
 862     }
 863     return 0.5*vtot;
 864 }
 865
 866 static real do_1_thole(const rvec xi, const rvec xj, rvec fi, rvec fj,
 867                        const t_pbc *pbc, real qq,
 868                        rvec fshift[], real afac)
 869 {
 870     rvec r12;
 871     real r12sq, r12_1, r12n, r12bar, v0, v1, fscal, ebar, fff;
 872     int  m, t;
 873
 874     t      = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r12);                      /*  3 */
 875
 876     r12sq  = iprod(r12, r12);                                     /*  5 */
 877     r12_1  = gmx_invsqrt(r12sq);                                  /*  5 */
 878     r12bar = afac/r12_1;                                          /*  5 */
 879     v0     = qq*ONE_4PI_EPS0*r12_1;                               /*  2 */
 880     ebar   = exp(-r12bar);                                        /*  5 */
 881     v1     = (1-(1+0.5*r12bar)*ebar);                             /*  4 */
 882     fscal  = ((v0*r12_1)*v1 - v0*0.5*afac*ebar*(r12bar+1))*r12_1; /* 9 */
 883     if (debug)
 884     {
 885         fprintf(debug, "THOLE: v0 = %.3f v1 = %.3f r12= % .3f r12bar = %.3f fscal = %.3f  ebar = %.3f\n", v0, v1, 1/r12_1, r12bar, fscal, ebar);
 886     }
 887
 888     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 889     {
 890         fff                 = fscal*r12[m];
 891         fi[m]              += fff;
 892         fj[m]              -= fff;
 893         fshift[t][m]       += fff;
 894         fshift[CENTRAL][m] -= fff;
 895     }             /* 15 */
 896
 897     return v0*v1; /* 1 */
 898     /* 54 */
 899 }
 900
 901 real thole_pol(int nbonds,
 902                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 903                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 904                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 905                real lambda, real *dvdlambda,
 906                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 907                int *global_atom_index)
 908 {
 909     /* Interaction between two pairs of particles with opposite charge */
 910     int  i, type, a1, da1, a2, da2;
 911     real q1, q2, qq, a, al1, al2, afac;
 912     real V = 0;
 913
 914     for (i = 0; (i < nbonds); )
 915     {
 916         type  = forceatoms[i++];
 917         a1    = forceatoms[i++];
 918         da1   = forceatoms[i++];
 919         a2    = forceatoms[i++];
 920         da2   = forceatoms[i++];
 921         q1    = md->chargeA[da1];
 922         q2    = md->chargeA[da2];
 923         a     = forceparams[type].thole.a;
 924         al1   = forceparams[type].thole.alpha1;
 925         al2   = forceparams[type].thole.alpha2;
 926         qq    = q1*q2;
 927         afac  = a*pow(al1*al2, -1.0/6.0);
 928         V    += do_1_thole(x[a1], x[a2], f[a1], f[a2], pbc, qq, fshift, afac);
 929         V    += do_1_thole(x[da1], x[a2], f[da1], f[a2], pbc, -qq, fshift, afac);
 930         V    += do_1_thole(x[a1], x[da2], f[a1], f[da2], pbc, -qq, fshift, afac);
 931         V    += do_1_thole(x[da1], x[da2], f[da1], f[da2], pbc, qq, fshift, afac);
 932     }
 933     /* 290 flops */
 934     return V;
 935 }
 936
 937 real bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
 938                 rvec r_ij, rvec r_kj, real *costh,
 939                 int *t1, int *t2)
 940 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
 941 {
 942     /* 41 FLOPS */
 943     real th;
 944
 945     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
 946     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
 947
 948     *costh = cos_angle(r_ij, r_kj);        /* 25                */
 949     th     = acos(*costh);                 /* 10                */
 950     /* 41 TOTAL */
 951     return th;
 952 }
 953
 954 real angles(int nbonds,
 955             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 956             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 957             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 958             real lambda, real *dvdlambda,
 959             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
 960             int *global_atom_index)
 961 {
 962     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type;
 963     rvec r_ij, r_kj;
 964     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
 965     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
 966
 967     vtot = 0.0;
 968     for (i = 0; i < nbonds; )
 969     {
 970         type = forceatoms[i++];
 971         ai   = forceatoms[i++];
 972         aj   = forceatoms[i++];
 973         ak   = forceatoms[i++];
 974
 975         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
 976                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);  /*  41          */
 977
 978         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 979                                forceparams[type].harmonic.krB,
 980                                forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD,
 981                                forceparams[type].harmonic.rB*DEG2RAD,
 982                                theta, lambda, &va, &dVdt);  /*  21  */
 983         vtot += va;
 984
 985         cos_theta2 = sqr(cos_theta);
 986         if (cos_theta2 < 1)
 987         {
 988             int  m;
 989             real st, sth;
 990             real cik, cii, ckk;
 991             real nrkj2, nrij2;
 992             real nrkj_1, nrij_1;
 993             rvec f_i, f_j, f_k;
 994
 995             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
 996             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
 997 #ifdef DEBUG
 998             if (debug)
 999             {
1000                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1001                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1002             }
1003 #endif
1004             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);      /*   5              */
1005             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);      /*   5              */
1006
1007             nrij_1 = gmx_invsqrt(nrij2);    /*  10              */
1008             nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2);    /*  10              */
1009
1010             cik = st*nrij_1*nrkj_1;         /*   2              */
1011             cii = sth*nrij_1*nrij_1;        /*   2              */
1012             ckk = sth*nrkj_1*nrkj_1;        /*   2              */
1013
1014             for (m = 0; m < DIM; m++)
1015             {           /*  39          */
1016                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m] - cii*r_ij[m]);
1017                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m] - ckk*r_kj[m]);
1018                 f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
1019                 f[ai][m] += f_i[m];
1020                 f[aj][m] += f_j[m];
1021                 f[ak][m] += f_k[m];
1022             }
1023             if (g != NULL)
1024             {
1025                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1026
1027                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1028                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1029                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1030                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1031             }
1032             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1033             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1034             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1035         }                                           /* 161 TOTAL        */
1036     }
1037
1038     return vtot;
1039 }
1040
1041 #ifdef SIMD_BONDEDS
1042
1043 /* As angles, but using SIMD to calculate many dihedrals at once.
1044  * This routines does not calculate energies and shift forces.
1045  */
1046 static gmx_inline void
1047 angles_noener_simd(int nbonds,
1048                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1049                    const rvec x[], rvec f[],
1050                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1051                    real lambda,
1052                    const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1053                    int *global_atom_index)
1054 {
1055 #define UNROLL GMX_SIMD_WIDTH_HERE
1056     const int      nfa1 = 4;
1057     int            i, iu, s, m;
1058     int            type, ai[UNROLL], aj[UNROLL], ak[UNROLL];
1059     real           coeff_array[2*UNROLL+UNROLL], *coeff;
1060     real           dr_array[2*DIM*UNROLL+UNROLL], *dr;
1061     real           f_buf_array[6*UNROLL+UNROLL], *f_buf;
1062     gmx_mm_pr      k_S, theta0_S;
1063     gmx_mm_pr      rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1064     gmx_mm_pr      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1065     gmx_mm_pr      one_S;
1066     gmx_mm_pr      min_one_plus_eps_S;
1067     gmx_mm_pr      rij_rkj_S;
1068     gmx_mm_pr      nrij2_S, nrij_1_S;
1069     gmx_mm_pr      nrkj2_S, nrkj_1_S;
1070     gmx_mm_pr      cos_S, invsin_S;
1071     gmx_mm_pr      theta_S;
1072     gmx_mm_pr      st_S, sth_S;
1073     gmx_mm_pr      cik_S, cii_S, ckk_S;
1074     gmx_mm_pr      f_ix_S, f_iy_S, f_iz_S;
1075     gmx_mm_pr      f_kx_S, f_ky_S, f_kz_S;
1076     pbc_simd_t     pbc_simd;
1077
1078     /* Ensure register memory alignment */
1079     coeff = gmx_simd_align_real(coeff_array);
1080     dr    = gmx_simd_align_real(dr_array);
1081     f_buf = gmx_simd_align_real(f_buf_array);
1082
1083     set_pbc_simd(pbc,&pbc_simd);
1084
1085     one_S = gmx_set1_pr(1.0);
1086
1087     /* The smallest number > -1 */
1088     min_one_plus_eps_S = gmx_set1_pr(-1.0 + 2*GMX_REAL_EPS);
1089
1090     /* nbonds is the number of angles times nfa1, here we step UNROLL angles */
1091     for (i = 0; (i < nbonds); i += UNROLL*nfa1)
1092     {
1093         /* Collect atoms for UNROLL angles.
1094          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
1095          */
1096         iu = i;
1097         for (s = 0; s < UNROLL; s++)
1098         {
1099             type  = forceatoms[iu];
1100             ai[s] = forceatoms[iu+1];
1101             aj[s] = forceatoms[iu+2];
1102             ak[s] = forceatoms[iu+3];
1103
1104             coeff[s]        = forceparams[type].harmonic.krA;
1105             coeff[UNROLL+s] = forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD;
1106
1107             /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1108              * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1109              */
1110             /* Store the non PBC corrected distances packed and aligned */
1111             for (m = 0; m < DIM; m++)
1112             {
1113                 dr[s +      m *UNROLL] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1114                 dr[s + (DIM+m)*UNROLL] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1115             }
1116
1117             /* At the end fill the arrays with identical entries */
1118             if (iu + nfa1 < nbonds)
1119             {
1120                 iu += nfa1;
1121             }
1122         }
1123
1124         k_S       = gmx_load_pr(coeff);
1125         theta0_S  = gmx_load_pr(coeff+UNROLL);
1126
1127         rijx_S    = gmx_load_pr(dr + 0*UNROLL);
1128         rijy_S    = gmx_load_pr(dr + 1*UNROLL);
1129         rijz_S    = gmx_load_pr(dr + 2*UNROLL);
1130         rkjx_S    = gmx_load_pr(dr + 3*UNROLL);
1131         rkjy_S    = gmx_load_pr(dr + 4*UNROLL);
1132         rkjz_S    = gmx_load_pr(dr + 5*UNROLL);
1133
1134         pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, &pbc_simd);
1135         pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, &pbc_simd);
1136
1137         rij_rkj_S = gmx_iprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1138                                  rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1139
1140         nrij2_S   = gmx_norm2_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S);
1141         nrkj2_S   = gmx_norm2_pr(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1142
1143         nrij_1_S  = gmx_invsqrt_pr(nrij2_S);
1144         nrkj_1_S  = gmx_invsqrt_pr(nrkj2_S);
1145
1146         cos_S     = gmx_mul_pr(rij_rkj_S, gmx_mul_pr(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1147
1148         /* To allow for 180 degrees, we take the max of cos and -1 + 1bit,
1149          * so we can safely get the 1/sin from 1/sqrt(1 - cos^2).
1150          * This also ensures that rounding errors would cause the argument
1151          * of gmx_acos_pr to be < -1.
1152          * Note that we do not take precautions for cos(0)=1, so the outer
1153          * atoms in an angle should not be on top of each other.
1154          */
1155         cos_S     = gmx_max_pr(cos_S, min_one_plus_eps_S);
1156
1157         theta_S   = gmx_acos_pr(cos_S);
1158
1159         invsin_S  = gmx_invsqrt_pr(gmx_sub_pr(one_S, gmx_mul_pr(cos_S, cos_S)));
1160
1161         st_S      = gmx_mul_pr(gmx_mul_pr(k_S, gmx_sub_pr(theta0_S, theta_S)),
1162                                invsin_S);
1163         sth_S     = gmx_mul_pr(st_S, cos_S);
1164
1165         cik_S     = gmx_mul_pr(st_S,  gmx_mul_pr(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1166         cii_S     = gmx_mul_pr(sth_S, gmx_mul_pr(nrij_1_S, nrij_1_S));
1167         ckk_S     = gmx_mul_pr(sth_S, gmx_mul_pr(nrkj_1_S, nrkj_1_S));
1168
1169         f_ix_S    = gmx_mul_pr(cii_S, rijx_S);
1170         f_ix_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rkjx_S, f_ix_S);
1171         f_iy_S    = gmx_mul_pr(cii_S, rijy_S);
1172         f_iy_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rkjy_S, f_iy_S);
1173         f_iz_S    = gmx_mul_pr(cii_S, rijz_S);
1174         f_iz_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rkjz_S, f_iz_S);
1175         f_kx_S    = gmx_mul_pr(ckk_S, rkjx_S);
1176         f_kx_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rijx_S, f_kx_S);
1177         f_ky_S    = gmx_mul_pr(ckk_S, rkjy_S);
1178         f_ky_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rijy_S, f_ky_S);
1179         f_kz_S    = gmx_mul_pr(ckk_S, rkjz_S);
1180         f_kz_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rijz_S, f_kz_S);
1181
1182         gmx_store_pr(f_buf + 0*UNROLL, f_ix_S);
1183         gmx_store_pr(f_buf + 1*UNROLL, f_iy_S);
1184         gmx_store_pr(f_buf + 2*UNROLL, f_iz_S);
1185         gmx_store_pr(f_buf + 3*UNROLL, f_kx_S);
1186         gmx_store_pr(f_buf + 4*UNROLL, f_ky_S);
1187         gmx_store_pr(f_buf + 5*UNROLL, f_kz_S);
1188
1189         iu = i;
1190         s  = 0;
1191         do
1192         {
1193             for (m = 0; m < DIM; m++)
1194             {
1195                 f[ai[s]][m] += f_buf[s + m*UNROLL];
1196                 f[aj[s]][m] -= f_buf[s + m*UNROLL] + f_buf[s + (DIM+m)*UNROLL];
1197                 f[ak[s]][m] += f_buf[s + (DIM+m)*UNROLL];
1198             }
1199             s++;
1200             iu += nfa1;
1201         }
1202         while (s < UNROLL && iu < nbonds);
1203     }
1204 #undef UNROLL
1205 }
1206
1207 #endif /* SIMD_BONDEDS */
1208
1209 real linear_angles(int nbonds,
1210                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1211                    const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1212                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1213                    real lambda, real *dvdlambda,
1214                    const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1215                    int *global_atom_index)
1216 {
1217     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1218     rvec f_i, f_j, f_k;
1219     real L1, kA, kB, aA, aB, dr, dr2, va, vtot, a, b, klin;
1220     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1221     rvec r_ij, r_kj, r_ik, dx;
1222
1223     L1   = 1-lambda;
1224     vtot = 0.0;
1225     for (i = 0; (i < nbonds); )
1226     {
1227         type = forceatoms[i++];
1228         ai   = forceatoms[i++];
1229         aj   = forceatoms[i++];
1230         ak   = forceatoms[i++];
1231
1232         kA   = forceparams[type].linangle.klinA;
1233         kB   = forceparams[type].linangle.klinB;
1234         klin = L1*kA + lambda*kB;
1235
1236         aA   = forceparams[type].linangle.aA;
1237         aB   = forceparams[type].linangle.aB;
1238         a    = L1*aA+lambda*aB;
1239         b    = 1-a;
1240
1241         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
1242         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
1243         rvec_sub(r_ij, r_kj, r_ik);
1244
1245         dr2 = 0;
1246         for (m = 0; (m < DIM); m++)
1247         {
1248             dr        = -a * r_ij[m] - b * r_kj[m];
1249             dr2      += dr*dr;
1250             dx[m]     = dr;
1251             f_i[m]    = a*klin*dr;
1252             f_k[m]    = b*klin*dr;
1253             f_j[m]    = -(f_i[m]+f_k[m]);
1254             f[ai][m] += f_i[m];
1255             f[aj][m] += f_j[m];
1256             f[ak][m] += f_k[m];
1257         }
1258         va          = 0.5*klin*dr2;
1259         *dvdlambda += 0.5*(kB-kA)*dr2 + klin*(aB-aA)*iprod(dx, r_ik);
1260
1261         vtot += va;
1262
1263         if (g)
1264         {
1265             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1266
1267             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1268             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1269             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1270             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1271         }
1272         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1273         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1274         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1275     }                                         /* 57 TOTAL       */
1276     return vtot;
1277 }
1278
1279 real urey_bradley(int nbonds,
1280                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1281                   const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1282                   const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1283                   real lambda, real *dvdlambda,
1284                   const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1285                   int *global_atom_index)
1286 {
1287     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type, ki;
1288     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
1289     real cos_theta, cos_theta2, theta;
1290     real dVdt, va, vtot, dr, dr2, vbond, fbond, fik;
1291     real kthA, th0A, kUBA, r13A, kthB, th0B, kUBB, r13B;
1292     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_ik;
1293
1294     vtot = 0.0;
1295     for (i = 0; (i < nbonds); )
1296     {
1297         type  = forceatoms[i++];
1298         ai    = forceatoms[i++];
1299         aj    = forceatoms[i++];
1300         ak    = forceatoms[i++];
1301         th0A  = forceparams[type].u_b.thetaA*DEG2RAD;
1302         kthA  = forceparams[type].u_b.kthetaA;
1303         r13A  = forceparams[type].u_b.r13A;
1304         kUBA  = forceparams[type].u_b.kUBA;
1305         th0B  = forceparams[type].u_b.thetaB*DEG2RAD;
1306         kthB  = forceparams[type].u_b.kthetaB;
1307         r13B  = forceparams[type].u_b.r13B;
1308         kUBB  = forceparams[type].u_b.kUBB;
1309
1310         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1311                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);                     /*  41               */
1312
1313         *dvdlambda += harmonic(kthA, kthB, th0A, th0B, theta, lambda, &va, &dVdt); /*  21  */
1314         vtot       += va;
1315
1316         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);                               /*   3      */
1317         dr2  = iprod(r_ik, r_ik);                                                   /*   5              */
1318         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                                /*  10              */
1319
1320         *dvdlambda += harmonic(kUBA, kUBB, r13A, r13B, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
1321
1322         cos_theta2 = sqr(cos_theta);                                                /*   1              */
1323         if (cos_theta2 < 1)
1324         {
1325             real st, sth;
1326             real cik, cii, ckk;
1327             real nrkj2, nrij2;
1328             rvec f_i, f_j, f_k;
1329
1330             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1331             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1332 #ifdef DEBUG
1333             if (debug)
1334             {
1335                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1336                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1337             }
1338 #endif
1339             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1340             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1341
1342             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1343             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1344             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1345
1346             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1347             {
1348                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1349                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1350                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1351                 f[ai][m] += f_i[m];
1352                 f[aj][m] += f_j[m];
1353                 f[ak][m] += f_k[m];
1354             }
1355             if (g)
1356             {
1357                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1358
1359                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1360                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1361                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1362                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1363             }
1364             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1365             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1366             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1367         }                                       /* 161 TOTAL    */
1368         /* Time for the bond calculations */
1369         if (dr2 == 0.0)
1370         {
1371             continue;
1372         }
1373
1374         vtot  += vbond;            /* 1*/
1375         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
1376
1377         if (g)
1378         {
1379             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, ak), dt_ik);
1380             ki = IVEC2IS(dt_ik);
1381         }
1382         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
1383         {
1384             fik                 = fbond*r_ik[m];
1385             f[ai][m]           += fik;
1386             f[ak][m]           -= fik;
1387             fshift[ki][m]      += fik;
1388             fshift[CENTRAL][m] -= fik;
1389         }
1390     }
1391     return vtot;
1392 }
1393
1394 real quartic_angles(int nbonds,
1395                     const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1396                     const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1397                     const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1398                     real lambda, real *dvdlambda,
1399                     const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1400                     int *global_atom_index)
1401 {
1402     int  i, j, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1403     rvec r_ij, r_kj;
1404     real cos_theta, cos_theta2, theta, dt, dVdt, va, dtp, c, vtot;
1405     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1406
1407     vtot = 0.0;
1408     for (i = 0; (i < nbonds); )
1409     {
1410         type = forceatoms[i++];
1411         ai   = forceatoms[i++];
1412         aj   = forceatoms[i++];
1413         ak   = forceatoms[i++];
1414
1415         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1416                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
1417
1418         dt = theta - forceparams[type].qangle.theta*DEG2RAD;   /* 2          */
1419
1420         dVdt = 0;
1421         va   = forceparams[type].qangle.c[0];
1422         dtp  = 1.0;
1423         for (j = 1; j <= 4; j++)
1424         {
1425             c     = forceparams[type].qangle.c[j];
1426             dVdt -= j*c*dtp;
1427             dtp  *= dt;
1428             va   += c*dtp;
1429         }
1430         /* 20 */
1431
1432         vtot += va;
1433
1434         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
1435         if (cos_theta2 < 1)
1436         {
1437             int  m;
1438             real st, sth;
1439             real cik, cii, ckk;
1440             real nrkj2, nrij2;
1441             rvec f_i, f_j, f_k;
1442
1443             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1444             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1445 #ifdef DEBUG
1446             if (debug)
1447             {
1448                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1449                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1450             }
1451 #endif
1452             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1453             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1454
1455             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1456             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1457             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1458
1459             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1460             {
1461                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1462                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1463                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1464                 f[ai][m] += f_i[m];
1465                 f[aj][m] += f_j[m];
1466                 f[ak][m] += f_k[m];
1467             }
1468             if (g)
1469             {
1470                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1471
1472                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1473                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1474                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1475                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1476             }
1477             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1478             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1479             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1480         }                                       /* 153 TOTAL    */
1481     }
1482     return vtot;
1483 }
1484
1485 real dih_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const rvec xl,
1486                const t_pbc *pbc,
1487                rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl, rvec m, rvec n,
1488                real *sign, int *t1, int *t2, int *t3)
1489 {
1490     real ipr, phi;
1491
1492     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3        */
1493     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
1494     *t3 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xl, r_kl); /*  3                */
1495
1496     cprod(r_ij, r_kj, m);                  /*  9        */
1497     cprod(r_kj, r_kl, n);                  /*  9                */
1498     phi     = gmx_angle(m, n);             /* 49 (assuming 25 for atan2) */
1499     ipr     = iprod(r_ij, n);              /*  5        */
1500     (*sign) = (ipr < 0.0) ? -1.0 : 1.0;
1501     phi     = (*sign)*phi;                 /*  1                */
1502     /* 82 TOTAL */
1503     return phi;
1504 }
1505
1506
1507 #ifdef SIMD_BONDEDS
1508
1509 /* As dih_angle above, but calculates 4 dihedral angles at once using SIMD,
1510  * also calculates the pre-factor required for the dihedral force update.
1511  * Note that bv and buf should be register aligned.
1512  */
1513 static gmx_inline void
1514 dih_angle_simd(const rvec *x,
1515                const int *ai, const int *aj, const int *ak, const int *al,
1516                const pbc_simd_t *pbc,
1517                real *dr,
1518                gmx_mm_pr *phi_S,
1519                gmx_mm_pr *mx_S, gmx_mm_pr *my_S, gmx_mm_pr *mz_S,
1520                gmx_mm_pr *nx_S, gmx_mm_pr *ny_S, gmx_mm_pr *nz_S,
1521                gmx_mm_pr *nrkj_m2_S,
1522                gmx_mm_pr *nrkj_n2_S,
1523                real *p,
1524                real *q)
1525 {
1526 #define UNROLL GMX_SIMD_WIDTH_HERE
1527     int       s, m;
1528     gmx_mm_pr rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1529     gmx_mm_pr rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1530     gmx_mm_pr rklx_S, rkly_S, rklz_S;
1531     gmx_mm_pr cx_S, cy_S, cz_S;
1532     gmx_mm_pr cn_S;
1533     gmx_mm_pr s_S;
1534     gmx_mm_pr ipr_S;
1535     gmx_mm_pr iprm_S, iprn_S;
1536     gmx_mm_pr nrkj2_S, nrkj_1_S, nrkj_2_S, nrkj_S;
1537     gmx_mm_pr toler_S;
1538     gmx_mm_pr p_S, q_S;
1539     gmx_mm_pr nrkj2_min_S;
1540     gmx_mm_pr real_eps_S;
1541
1542     /* Used to avoid division by zero.
1543      * We take into acount that we multiply the result by real_eps_S.
1544      */
1545     nrkj2_min_S = gmx_set1_pr(GMX_REAL_MIN/(2*GMX_REAL_EPS));
1546
1547     /* The value of the last significant bit (GMX_REAL_EPS is half of that) */
1548     real_eps_S  = gmx_set1_pr(2*GMX_REAL_EPS);
1549
1550     for (s = 0; s < UNROLL; s++)
1551     {
1552         /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1553          * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1554          */
1555         for (m = 0; m < DIM; m++)
1556         {
1557             dr[s + (0*DIM + m)*UNROLL] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1558             dr[s + (1*DIM + m)*UNROLL] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1559             dr[s + (2*DIM + m)*UNROLL] = x[ak[s]][m] - x[al[s]][m];
1560         }
1561     }
1562
1563     rijx_S = gmx_load_pr(dr + 0*UNROLL);
1564     rijy_S = gmx_load_pr(dr + 1*UNROLL);
1565     rijz_S = gmx_load_pr(dr + 2*UNROLL);
1566     rkjx_S = gmx_load_pr(dr + 3*UNROLL);
1567     rkjy_S = gmx_load_pr(dr + 4*UNROLL);
1568     rkjz_S = gmx_load_pr(dr + 5*UNROLL);
1569     rklx_S = gmx_load_pr(dr + 6*UNROLL);
1570     rkly_S = gmx_load_pr(dr + 7*UNROLL);
1571     rklz_S = gmx_load_pr(dr + 8*UNROLL);
1572
1573     pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, pbc);
1574     pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, pbc);
1575     pbc_dx_simd(&rklx_S, &rkly_S, &rklz_S, pbc);
1576
1577     gmx_cprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1578                  rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1579                  mx_S, my_S, mz_S);
1580
1581     gmx_cprod_pr(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1582                  rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1583                  nx_S, ny_S, nz_S);
1584
1585     gmx_cprod_pr(*mx_S, *my_S, *mz_S,
1586                  *nx_S, *ny_S, *nz_S,
1587                  &cx_S, &cy_S, &cz_S);
1588
1589     cn_S       = gmx_sqrt_pr(gmx_norm2_pr(cx_S, cy_S, cz_S));
1590
1591     s_S        = gmx_iprod_pr(*mx_S, *my_S, *mz_S, *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1592
1593     /* Determine the dihedral angle, the sign might need correction */
1594     *phi_S     = gmx_atan2_pr(cn_S, s_S);
1595
1596     ipr_S      = gmx_iprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1597                               *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1598
1599     iprm_S     = gmx_norm2_pr(*mx_S, *my_S, *mz_S);
1600     iprn_S     = gmx_norm2_pr(*nx_S, *ny_S, *nz_S);
1601
1602     nrkj2_S    = gmx_norm2_pr(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1603
1604     /* Avoid division by zero. When zero, the result is multiplied by 0
1605      * anyhow, so the 3 max below do not affect the final result.
1606      */
1607     nrkj2_S    = gmx_max_pr(nrkj2_S, nrkj2_min_S);
1608     nrkj_1_S   = gmx_invsqrt_pr(nrkj2_S);
1609     nrkj_2_S   = gmx_mul_pr(nrkj_1_S, nrkj_1_S);
1610     nrkj_S     = gmx_mul_pr(nrkj2_S, nrkj_1_S);
1611
1612     toler_S    = gmx_mul_pr(nrkj2_S, real_eps_S);
1613
1614     /* Here the plain-C code uses a conditional, but we can't do that in SIMD.
1615      * So we take a max with the tolerance instead. Since we multiply with
1616      * m or n later, the max does not affect the results.
1617      */
1618     iprm_S     = gmx_max_pr(iprm_S, toler_S);
1619     iprn_S     = gmx_max_pr(iprn_S, toler_S);
1620     *nrkj_m2_S = gmx_mul_pr(nrkj_S, gmx_inv_pr(iprm_S));
1621     *nrkj_n2_S = gmx_mul_pr(nrkj_S, gmx_inv_pr(iprn_S));
1622
1623     /* Set sign of phi_S with the sign of ipr_S; phi_S is currently positive */
1624     *phi_S     = gmx_cpsgn_nonneg_pr(ipr_S, *phi_S);
1625
1626     p_S        = gmx_iprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1627                               rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1628     p_S        = gmx_mul_pr(p_S, nrkj_2_S);
1629
1630     q_S        = gmx_iprod_pr(rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1631                               rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1632     q_S        = gmx_mul_pr(q_S, nrkj_2_S);
1633
1634     gmx_store_pr(p, p_S);
1635     gmx_store_pr(q, q_S);
1636 #undef UNROLL
1637 }
1638
1639 #endif /* SIMD_BONDEDS */
1640
1641
1642 void do_dih_fup(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1643                 rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1644                 rvec m, rvec n, rvec f[], rvec fshift[],
1645                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1646                 const rvec x[], int t1, int t2, int t3)
1647 {
1648     /* 143 FLOPS */
1649     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1650     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1651     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1652     real a, b, p, q, toler;
1653     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1654
1655     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1656     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1657     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1658     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1659     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1660     {
1661         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1662         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1663         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1664         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1665         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1666         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1667         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1668         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1669         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1670         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1671         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1672         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1673         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1674         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1675         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1676         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1677         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1678         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1679         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1680         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1681
1682         if (g)
1683         {
1684             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, j), jt);
1685             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, i), jt, dt_ij);
1686             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, k), jt, dt_kj);
1687             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, l), jt, dt_lj);
1688             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1689             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1690             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
1691         }
1692         else if (pbc)
1693         {
1694             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[l], x[j], dx_jl);
1695         }
1696         else
1697         {
1698             t3 = CENTRAL;
1699         }
1700
1701         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1702         rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_j);
1703         rvec_dec(fshift[t2], f_k);
1704         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
1705     }
1706     /* 112 TOTAL    */
1707 }
1708
1709 /* As do_dih_fup above, but without shift forces */
1710 static void
1711 do_dih_fup_noshiftf(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1712                     rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1713                     rvec m, rvec n, rvec f[])
1714 {
1715     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1716     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1717     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1718     real a, b, p, q, toler;
1719     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1720
1721     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1722     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1723     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1724     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1725     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1726     {
1727         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1728         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1729         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1730         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1731         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1732         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1733         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1734         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1735         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1736         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1737         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1738         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1739         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1740         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1741         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1742         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1743         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1744         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1745         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1746         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1747     }
1748 }
1749
1750 /* As do_dih_fup_noshiftf above, but with pre-calculated pre-factors */
1751 static gmx_inline void
1752 do_dih_fup_noshiftf_precalc(int i, int j, int k, int l,
1753                             real p, real q,
1754                             real f_i_x, real f_i_y, real f_i_z,
1755                             real mf_l_x, real mf_l_y, real mf_l_z,
1756                             rvec f[])
1757 {
1758     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1759     rvec uvec, vvec, svec;
1760
1761     f_i[XX] = f_i_x;
1762     f_i[YY] = f_i_y;
1763     f_i[ZZ] = f_i_z;
1764     f_l[XX] = -mf_l_x;
1765     f_l[YY] = -mf_l_y;
1766     f_l[ZZ] = -mf_l_z;
1767     svmul(p, f_i, uvec);
1768     svmul(q, f_l, vvec);
1769     rvec_sub(uvec, vvec, svec);
1770     rvec_sub(f_i, svec, f_j);
1771     rvec_add(f_l, svec, f_k);
1772     rvec_inc(f[i], f_i);
1773     rvec_dec(f[j], f_j);
1774     rvec_dec(f[k], f_k);
1775     rvec_inc(f[l], f_l);
1776 }
1777
1778
1779 real dopdihs(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1780              real phi, real lambda, real *V, real *F)
1781 {
1782     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1783     real L1   = 1.0 - lambda;
1784     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1785     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1786     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1787
1788     mdphi =  mult*phi - ph0;
1789     sdphi = sin(mdphi);
1790     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1791     v1    = 1.0 + cos(mdphi);
1792     v     = cp*v1;
1793
1794     dvdlambda  = (cpB - cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1795
1796     *V = v;
1797     *F = ddphi;
1798
1799     return dvdlambda;
1800
1801     /* That was 40 flops */
1802 }
1803
1804 static void
1805 dopdihs_noener(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1806                real phi, real lambda, real *F)
1807 {
1808     real mdphi, sdphi, ddphi;
1809     real L1   = 1.0 - lambda;
1810     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1811     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1812
1813     mdphi = mult*phi - ph0;
1814     sdphi = sin(mdphi);
1815     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1816
1817     *F = ddphi;
1818
1819     /* That was 20 flops */
1820 }
1821
1822 static void
1823 dopdihs_mdphi(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1824               real phi, real lambda, real *cp, real *mdphi)
1825 {
1826     real L1   = 1.0 - lambda;
1827     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1828
1829     *cp    = L1*cpA + lambda*cpB;
1830
1831     *mdphi = mult*phi - ph0;
1832 }
1833
1834 static real dopdihs_min(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1835                         real phi, real lambda, real *V, real *F)
1836 /* similar to dopdihs, except for a minus sign  *
1837  * and a different treatment of mult/phi0       */
1838 {
1839     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1840     real L1   = 1.0 - lambda;
1841     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1842     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1843     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1844
1845     mdphi = mult*(phi-ph0);
1846     sdphi = sin(mdphi);
1847     ddphi = cp*mult*sdphi;
1848     v1    = 1.0-cos(mdphi);
1849     v     = cp*v1;
1850
1851     dvdlambda  = (cpB-cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1852
1853     *V = v;
1854     *F = ddphi;
1855
1856     return dvdlambda;
1857
1858     /* That was 40 flops */
1859 }
1860
1861 real pdihs(int nbonds,
1862            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1863            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1864            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1865            real lambda, real *dvdlambda,
1866            const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1867            int *global_atom_index)
1868 {
1869     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1870     int  t1, t2, t3;
1871     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1872     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
1873
1874     vtot = 0.0;
1875
1876     for (i = 0; (i < nbonds); )
1877     {
1878         type = forceatoms[i++];
1879         ai   = forceatoms[i++];
1880         aj   = forceatoms[i++];
1881         ak   = forceatoms[i++];
1882         al   = forceatoms[i++];
1883
1884         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1885                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84      */
1886         *dvdlambda += dopdihs(forceparams[type].pdihs.cpA,
1887                               forceparams[type].pdihs.cpB,
1888                               forceparams[type].pdihs.phiA,
1889                               forceparams[type].pdihs.phiB,
1890                               forceparams[type].pdihs.mult,
1891                               phi, lambda, &vpd, &ddphi);
1892
1893         vtot += vpd;
1894         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1895                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
1896
1897 #ifdef DEBUG
1898         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
1899                 ai, aj, ak, al, phi);
1900 #endif
1901     } /* 223 TOTAL  */
1902
1903     return vtot;
1904 }
1905
1906 void make_dp_periodic(real *dp)  /* 1 flop? */
1907 {
1908     /* dp cannot be outside (-pi,pi) */
1909     if (*dp >= M_PI)
1910     {
1911         *dp -= 2*M_PI;
1912     }
1913     else if (*dp < -M_PI)
1914     {
1915         *dp += 2*M_PI;
1916     }
1917     return;
1918 }
1919
1920 /* As pdihs above, but without calculating energies and shift forces */
1921 static void
1922 pdihs_noener(int nbonds,
1923              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1924              const rvec x[], rvec f[],
1925              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1926              real lambda,
1927              const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1928              int *global_atom_index)
1929 {
1930     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1931     int  t1, t2, t3;
1932     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1933     real phi, sign, ddphi_tot, ddphi;
1934
1935     for (i = 0; (i < nbonds); )
1936     {
1937         ai   = forceatoms[i+1];
1938         aj   = forceatoms[i+2];
1939         ak   = forceatoms[i+3];
1940         al   = forceatoms[i+4];
1941
1942         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1943                         &sign, &t1, &t2, &t3);
1944
1945         ddphi_tot = 0;
1946
1947         /* Loop over dihedrals working on the same atoms,
1948          * so we avoid recalculating angles and force distributions.
1949          */
1950         do
1951         {
1952             type = forceatoms[i];
1953             dopdihs_noener(forceparams[type].pdihs.cpA,
1954                            forceparams[type].pdihs.cpB,
1955                            forceparams[type].pdihs.phiA,
1956                            forceparams[type].pdihs.phiB,
1957                            forceparams[type].pdihs.mult,
1958                            phi, lambda, &ddphi);
1959             ddphi_tot += ddphi;
1960
1961             i += 5;
1962         }
1963         while (i < nbonds &&
1964                forceatoms[i+1] == ai &&
1965                forceatoms[i+2] == aj &&
1966                forceatoms[i+3] == ak &&
1967                forceatoms[i+4] == al);
1968
1969         do_dih_fup_noshiftf(ai, aj, ak, al, ddphi_tot, r_ij, r_kj, r_kl, m, n, f);
1970     }
1971 }
1972
1973
1974 #ifdef SIMD_BONDEDS
1975
1976 /* As pdihs_noner above, but using SIMD to calculate many dihedrals at once */
1977 static void
1978 pdihs_noener_simd(int nbonds,
1979                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1980                   const rvec x[], rvec f[],
1981                   const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1982                   real lambda,
1983                   const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
1984                   int *global_atom_index)
1985 {
1986 #define UNROLL GMX_SIMD_WIDTH_HERE
1987     const int      nfa1 = 5;
1988     int            i, iu, s;
1989     int            type, ai[UNROLL], aj[UNROLL], ak[UNROLL], al[UNROLL];
1990     int            t1[UNROLL], t2[UNROLL], t3[UNROLL];
1991     real           ddphi;
1992     real           dr_array[3*DIM*UNROLL+UNROLL], *dr;
1993     real           buf_array[7*UNROLL+UNROLL], *buf;
1994     real           *cp, *phi0, *mult, *phi, *p, *q, *sf_i, *msf_l;
1995     gmx_mm_pr      phi0_S, phi_S;
1996     gmx_mm_pr      mx_S, my_S, mz_S;
1997     gmx_mm_pr      nx_S, ny_S, nz_S;
1998     gmx_mm_pr      nrkj_m2_S, nrkj_n2_S;
1999     gmx_mm_pr      cp_S, mdphi_S, mult_S;
2000     gmx_mm_pr      sin_S, cos_S;
2001     gmx_mm_pr      mddphi_S;
2002     gmx_mm_pr      sf_i_S, msf_l_S;
2003     pbc_simd_t     pbc_simd;
2004
2005     /* Ensure SIMD register alignment */
2006     dr  = gmx_simd_align_real(dr_array);
2007     buf = gmx_simd_align_real(buf_array);
2008
2009     /* Extract aligned pointer for parameters and variables */
2010     cp    = buf + 0*UNROLL;
2011     phi0  = buf + 1*UNROLL;
2012     mult  = buf + 2*UNROLL;
2013     p     = buf + 3*UNROLL;
2014     q     = buf + 4*UNROLL;
2015     sf_i  = buf + 5*UNROLL;
2016     msf_l = buf + 6*UNROLL;
2017
2018     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
2019
2020     /* nbonds is the number of dihedrals times nfa1, here we step UNROLL dihs */
2021     for (i = 0; (i < nbonds); i += UNROLL*nfa1)
2022     {
2023         /* Collect atoms quadruplets for UNROLL dihedrals.
2024          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
2025          */
2026         iu = i;
2027         for (s = 0; s < UNROLL; s++)
2028         {
2029             type  = forceatoms[iu];
2030             ai[s] = forceatoms[iu+1];
2031             aj[s] = forceatoms[iu+2];
2032             ak[s] = forceatoms[iu+3];
2033             al[s] = forceatoms[iu+4];
2034
2035             cp[s]   = forceparams[type].pdihs.cpA;
2036             phi0[s] = forceparams[type].pdihs.phiA*DEG2RAD;
2037             mult[s] = forceparams[type].pdihs.mult;
2038
2039             /* At the end fill the arrays with identical entries */
2040             if (iu + nfa1 < nbonds)
2041             {
2042                 iu += nfa1;
2043             }
2044         }
2045
2046         /* Caclulate UNROLL dihedral angles at once */
2047         dih_angle_simd(x, ai, aj, ak, al, &pbc_simd,
2048                        dr,
2049                        &phi_S,
2050                        &mx_S, &my_S, &mz_S,
2051                        &nx_S, &ny_S, &nz_S,
2052                        &nrkj_m2_S,
2053                        &nrkj_n2_S,
2054                        p, q);
2055
2056         cp_S     = gmx_load_pr(cp);
2057         phi0_S   = gmx_load_pr(phi0);
2058         mult_S   = gmx_load_pr(mult);
2059
2060         mdphi_S  = gmx_sub_pr(gmx_mul_pr(mult_S, phi_S), phi0_S);
2061
2062         /* Calculate UNROLL sines at once */
2063         gmx_sincos_pr(mdphi_S, &sin_S, &cos_S);
2064         mddphi_S = gmx_mul_pr(gmx_mul_pr(cp_S, mult_S), sin_S);
2065         sf_i_S   = gmx_mul_pr(mddphi_S, nrkj_m2_S);
2066         msf_l_S  = gmx_mul_pr(mddphi_S, nrkj_n2_S);
2067
2068         /* After this m?_S will contain f[i] */
2069         mx_S     = gmx_mul_pr(sf_i_S, mx_S);
2070         my_S     = gmx_mul_pr(sf_i_S, my_S);
2071         mz_S     = gmx_mul_pr(sf_i_S, mz_S);
2072
2073         /* After this m?_S will contain -f[l] */
2074         nx_S     = gmx_mul_pr(msf_l_S, nx_S);
2075         ny_S     = gmx_mul_pr(msf_l_S, ny_S);
2076         nz_S     = gmx_mul_pr(msf_l_S, nz_S);
2077
2078         gmx_store_pr(dr + 0*UNROLL, mx_S);
2079         gmx_store_pr(dr + 1*UNROLL, my_S);
2080         gmx_store_pr(dr + 2*UNROLL, mz_S);
2081         gmx_store_pr(dr + 3*UNROLL, nx_S);
2082         gmx_store_pr(dr + 4*UNROLL, ny_S);
2083         gmx_store_pr(dr + 5*UNROLL, nz_S);
2084
2085         iu = i;
2086         s  = 0;
2087         do
2088         {
2089             do_dih_fup_noshiftf_precalc(ai[s], aj[s], ak[s], al[s],
2090                                         p[s], q[s],
2091                                         dr[     XX *UNROLL+s],
2092                                         dr[     YY *UNROLL+s],
2093                                         dr[     ZZ *UNROLL+s],
2094                                         dr[(DIM+XX)*UNROLL+s],
2095                                         dr[(DIM+YY)*UNROLL+s],
2096                                         dr[(DIM+ZZ)*UNROLL+s],
2097                                         f);
2098             s++;
2099             iu += nfa1;
2100         }
2101         while (s < UNROLL && iu < nbonds);
2102     }
2103 #undef UNROLL
2104 }
2105
2106 #endif /* SIMD_BONDEDS */
2107
2108
2109 real idihs(int nbonds,
2110            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2111            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2112            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2113            real lambda, real *dvdlambda,
2114            const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2115            int *global_atom_index)
2116 {
2117     int  i, type, ai, aj, ak, al;
2118     int  t1, t2, t3;
2119     real phi, phi0, dphi0, ddphi, sign, vtot;
2120     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2121     real L1, kk, dp, dp2, kA, kB, pA, pB, dvdl_term;
2122
2123     L1        = 1.0-lambda;
2124     dvdl_term = 0;
2125     vtot      = 0.0;
2126     for (i = 0; (i < nbonds); )
2127     {
2128         type = forceatoms[i++];
2129         ai   = forceatoms[i++];
2130         aj   = forceatoms[i++];
2131         ak   = forceatoms[i++];
2132         al   = forceatoms[i++];
2133
2134         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2135                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2136
2137         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2138          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2139          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2140          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2141          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2142          * the potential.
2143          */
2144         kA = forceparams[type].harmonic.krA;
2145         kB = forceparams[type].harmonic.krB;
2146         pA = forceparams[type].harmonic.rA;
2147         pB = forceparams[type].harmonic.rB;
2148
2149         kk    = L1*kA + lambda*kB;
2150         phi0  = (L1*pA + lambda*pB)*DEG2RAD;
2151         dphi0 = (pB - pA)*DEG2RAD;
2152
2153         dp = phi-phi0;
2154
2155         make_dp_periodic(&dp);
2156
2157         dp2 = dp*dp;
2158
2159         vtot += 0.5*kk*dp2;
2160         ddphi = -kk*dp;
2161
2162         dvdl_term += 0.5*(kB - kA)*dp2 - kk*dphi0*dp;
2163
2164         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, (real)(-ddphi), r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2165                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2166         /* 218 TOTAL    */
2167 #ifdef DEBUG
2168         if (debug)
2169         {
2170             fprintf(debug, "idih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
2171                     ai, aj, ak, al, phi);
2172         }
2173 #endif
2174     }
2175
2176     *dvdlambda += dvdl_term;
2177     return vtot;
2178 }
2179
2180
2181 real posres(int nbonds,
2182             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2183             const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2184             t_pbc *pbc,
2185             real lambda, real *dvdlambda,
2186             int refcoord_scaling, int ePBC, rvec comA, rvec comB)
2187 {
2188     int              i, ai, m, d, type, ki, npbcdim = 0;
2189     const t_iparams *pr;
2190     real             L1;
2191     real             vtot, kk, fm;
2192     real             posA, posB, ref = 0;
2193     rvec             comA_sc, comB_sc, rdist, dpdl, pos, dx;
2194     gmx_bool         bForceValid = TRUE;
2195
2196     if ((f == NULL) || (vir_diag == NULL))    /* should both be null together! */
2197     {
2198         bForceValid = FALSE;
2199     }
2200
2201     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2202
2203     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2204     {
2205         clear_rvec(comA_sc);
2206         clear_rvec(comB_sc);
2207         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2208         {
2209             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2210             {
2211                 comA_sc[m] += comA[d]*pbc->box[d][m];
2212                 comB_sc[m] += comB[d]*pbc->box[d][m];
2213             }
2214         }
2215     }
2216
2217     L1 = 1.0 - lambda;
2218
2219     vtot = 0.0;
2220     for (i = 0; (i < nbonds); )
2221     {
2222         type = forceatoms[i++];
2223         ai   = forceatoms[i++];
2224         pr   = &forceparams[type];
2225
2226         for (m = 0; m < DIM; m++)
2227         {
2228             posA = forceparams[type].posres.pos0A[m];
2229             posB = forceparams[type].posres.pos0B[m];
2230             if (m < npbcdim)
2231             {
2232                 switch (refcoord_scaling)
2233                 {
2234                     case erscNO:
2235                         ref      = 0;
2236                         rdist[m] = L1*posA + lambda*posB;
2237                         dpdl[m]  = posB - posA;
2238                         break;
2239                     case erscALL:
2240                         /* Box relative coordinates are stored for dimensions with pbc */
2241                         posA *= pbc->box[m][m];
2242                         posB *= pbc->box[m][m];
2243                         for (d = m+1; d < npbcdim; d++)
2244                         {
2245                             posA += forceparams[type].posres.pos0A[d]*pbc->box[d][m];
2246                             posB += forceparams[type].posres.pos0B[d]*pbc->box[d][m];
2247                         }
2248                         ref      = L1*posA + lambda*posB;
2249                         rdist[m] = 0;
2250                         dpdl[m]  = posB - posA;
2251                         break;
2252                     case erscCOM:
2253                         ref      = L1*comA_sc[m] + lambda*comB_sc[m];
2254                         rdist[m] = L1*posA       + lambda*posB;
2255                         dpdl[m]  = comB_sc[m] - comA_sc[m] + posB - posA;
2256                         break;
2257                     default:
2258                         gmx_fatal(FARGS, "No such scaling method implemented");
2259                 }
2260             }
2261             else
2262             {
2263                 ref      = L1*posA + lambda*posB;
2264                 rdist[m] = 0;
2265                 dpdl[m]  = posB - posA;
2266             }
2267
2268             /* We do pbc_dx with ref+rdist,
2269              * since with only ref we can be up to half a box vector wrong.
2270              */
2271             pos[m] = ref + rdist[m];
2272         }
2273
2274         if (pbc)
2275         {
2276             pbc_dx(pbc, x[ai], pos, dx);
2277         }
2278         else
2279         {
2280             rvec_sub(x[ai], pos, dx);
2281         }
2282
2283         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2284         {
2285             kk          = L1*pr->posres.fcA[m] + lambda*pr->posres.fcB[m];
2286             fm          = -kk*dx[m];
2287             vtot       += 0.5*kk*dx[m]*dx[m];
2288             *dvdlambda +=
2289                 0.5*(pr->posres.fcB[m] - pr->posres.fcA[m])*dx[m]*dx[m]
2290                 -fm*dpdl[m];
2291
2292             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2293             if (bForceValid)
2294             {
2295                 f[ai][m]    += fm;
2296                 vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm;
2297             }
2298         }
2299     }
2300
2301     return vtot;
2302 }
2303
2304 static real low_angres(int nbonds,
2305                        const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2306                        const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2307                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2308                        real lambda, real *dvdlambda,
2309                        gmx_bool bZAxis)
2310 {
2311     int  i, m, type, ai, aj, ak, al;
2312     int  t1, t2;
2313     real phi, cos_phi, cos_phi2, vid, vtot, dVdphi;
2314     rvec r_ij, r_kl, f_i, f_k = {0, 0, 0};
2315     real st, sth, nrij2, nrkl2, c, cij, ckl;
2316
2317     ivec dt;
2318     t2 = 0; /* avoid warning with gcc-3.3. It is never used uninitialized */
2319
2320     vtot = 0.0;
2321     ak   = al = 0; /* to avoid warnings */
2322     for (i = 0; i < nbonds; )
2323     {
2324         type = forceatoms[i++];
2325         ai   = forceatoms[i++];
2326         aj   = forceatoms[i++];
2327         t1   = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], r_ij);       /*  3               */
2328         if (!bZAxis)
2329         {
2330             ak   = forceatoms[i++];
2331             al   = forceatoms[i++];
2332             t2   = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], r_kl);  /*  3                */
2333         }
2334         else
2335         {
2336             r_kl[XX] = 0;
2337             r_kl[YY] = 0;
2338             r_kl[ZZ] = 1;
2339         }
2340
2341         cos_phi = cos_angle(r_ij, r_kl); /* 25          */
2342         phi     = acos(cos_phi);         /* 10           */
2343
2344         *dvdlambda += dopdihs_min(forceparams[type].pdihs.cpA,
2345                                   forceparams[type].pdihs.cpB,
2346                                   forceparams[type].pdihs.phiA,
2347                                   forceparams[type].pdihs.phiB,
2348                                   forceparams[type].pdihs.mult,
2349                                   phi, lambda, &vid, &dVdphi); /*  40  */
2350
2351         vtot += vid;
2352
2353         cos_phi2 = sqr(cos_phi);                /*   1          */
2354         if (cos_phi2 < 1)
2355         {
2356             st    = -dVdphi*gmx_invsqrt(1 - cos_phi2); /*  12           */
2357             sth   = st*cos_phi;                        /*   1           */
2358             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);                 /*   5           */
2359             nrkl2 = iprod(r_kl, r_kl);                 /*   5          */
2360
2361             c   = st*gmx_invsqrt(nrij2*nrkl2);         /*  11           */
2362             cij = sth/nrij2;                           /*  10           */
2363             ckl = sth/nrkl2;                           /*  10           */
2364
2365             for (m = 0; m < DIM; m++)                  /*  18+18       */
2366             {
2367                 f_i[m]    = (c*r_kl[m]-cij*r_ij[m]);
2368                 f[ai][m] += f_i[m];
2369                 f[aj][m] -= f_i[m];
2370                 if (!bZAxis)
2371                 {
2372                     f_k[m]    = (c*r_ij[m]-ckl*r_kl[m]);
2373                     f[ak][m] += f_k[m];
2374                     f[al][m] -= f_k[m];
2375                 }
2376             }
2377
2378             if (g)
2379             {
2380                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
2381                 t1 = IVEC2IS(dt);
2382             }
2383             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2384             rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_i);
2385             if (!bZAxis)
2386             {
2387                 if (g)
2388                 {
2389                     ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, al), dt);
2390                     t2 = IVEC2IS(dt);
2391                 }
2392                 rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2393                 rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_k);
2394             }
2395         }
2396     }
2397
2398     return vtot; /*  184 / 157 (bZAxis)  total  */
2399 }
2400
2401 real angres(int nbonds,
2402             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2403             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2404             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2405             real lambda, real *dvdlambda,
2406             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2407             int *global_atom_index)
2408 {
2409     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2410                       lambda, dvdlambda, FALSE);
2411 }
2412
2413 real angresz(int nbonds,
2414              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2415              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2416              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2417              real lambda, real *dvdlambda,
2418              const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2419              int *global_atom_index)
2420 {
2421     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2422                       lambda, dvdlambda, TRUE);
2423 }
2424
2425 real dihres(int nbonds,
2426             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2427             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2428             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2429             real lambda, real *dvdlambda,
2430             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2431             int *global_atom_index)
2432 {
2433     real vtot = 0;
2434     int  ai, aj, ak, al, i, k, type, t1, t2, t3;
2435     real phi0A, phi0B, dphiA, dphiB, kfacA, kfacB, phi0, dphi, kfac;
2436     real phi, ddphi, ddp, ddp2, dp, sign, d2r, fc, L1;
2437     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2438
2439     L1 = 1.0-lambda;
2440
2441     d2r = DEG2RAD;
2442     k   = 0;
2443
2444     for (i = 0; (i < nbonds); )
2445     {
2446         type = forceatoms[i++];
2447         ai   = forceatoms[i++];
2448         aj   = forceatoms[i++];
2449         ak   = forceatoms[i++];
2450         al   = forceatoms[i++];
2451
2452         phi0A  = forceparams[type].dihres.phiA*d2r;
2453         dphiA  = forceparams[type].dihres.dphiA*d2r;
2454         kfacA  = forceparams[type].dihres.kfacA;
2455
2456         phi0B  = forceparams[type].dihres.phiB*d2r;
2457         dphiB  = forceparams[type].dihres.dphiB*d2r;
2458         kfacB  = forceparams[type].dihres.kfacB;
2459
2460         phi0  = L1*phi0A + lambda*phi0B;
2461         dphi  = L1*dphiA + lambda*dphiB;
2462         kfac  = L1*kfacA + lambda*kfacB;
2463
2464         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2465                         &sign, &t1, &t2, &t3);
2466         /* 84 flops */
2467
2468         if (debug)
2469         {
2470             fprintf(debug, "dihres[%d]: %d %d %d %d : phi=%f, dphi=%f, kfac=%f\n",
2471                     k++, ai, aj, ak, al, phi0, dphi, kfac);
2472         }
2473         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2474          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2475          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2476          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2477          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2478          * the potential.
2479          */
2480         dp = phi-phi0;
2481         make_dp_periodic(&dp);
2482
2483         if (dp > dphi)
2484         {
2485             ddp = dp-dphi;
2486         }
2487         else if (dp < -dphi)
2488         {
2489             ddp = dp+dphi;
2490         }
2491         else
2492         {
2493             ddp = 0;
2494         }
2495
2496         if (ddp != 0.0)
2497         {
2498             ddp2  = ddp*ddp;
2499             vtot += 0.5*kfac*ddp2;
2500             ddphi = kfac*ddp;
2501
2502             *dvdlambda += 0.5*(kfacB - kfacA)*ddp2;
2503             /* lambda dependence from changing restraint distances */
2504             if (ddp > 0)
2505             {
2506                 *dvdlambda -= kfac*ddp*((dphiB - dphiA)+(phi0B - phi0A));
2507             }
2508             else if (ddp < 0)
2509             {
2510                 *dvdlambda += kfac*ddp*((dphiB - dphiA)-(phi0B - phi0A));
2511             }
2512             do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2513                        f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3);      /* 112           */
2514         }
2515     }
2516     return vtot;
2517 }
2518
2519
2520 real unimplemented(int nbonds,
2521                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2522                    const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2523                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2524                    real lambda, real *dvdlambda,
2525                    const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2526                    int *global_atom_index)
2527 {
2528     gmx_impl("*** you are using a not implemented function");
2529
2530     return 0.0; /* To make the compiler happy */
2531 }
2532
2533 real rbdihs(int nbonds,
2534             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2535             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2536             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2537             real lambda, real *dvdlambda,
2538             const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2539             int *global_atom_index)
2540 {
2541     const real c0 = 0.0, c1 = 1.0, c2 = 2.0, c3 = 3.0, c4 = 4.0, c5 = 5.0;
2542     int        type, ai, aj, ak, al, i, j;
2543     int        t1, t2, t3;
2544     rvec       r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2545     real       parmA[NR_RBDIHS];
2546     real       parmB[NR_RBDIHS];
2547     real       parm[NR_RBDIHS];
2548     real       cos_phi, phi, rbp, rbpBA;
2549     real       v, sign, ddphi, sin_phi;
2550     real       cosfac, vtot;
2551     real       L1        = 1.0-lambda;
2552     real       dvdl_term = 0;
2553
2554     vtot = 0.0;
2555     for (i = 0; (i < nbonds); )
2556     {
2557         type = forceatoms[i++];
2558         ai   = forceatoms[i++];
2559         aj   = forceatoms[i++];
2560         ak   = forceatoms[i++];
2561         al   = forceatoms[i++];
2562
2563         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2564                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2565
2566         /* Change to polymer convention */
2567         if (phi < c0)
2568         {
2569             phi += M_PI;
2570         }
2571         else
2572         {
2573             phi -= M_PI;    /*   1              */
2574
2575         }
2576         cos_phi = cos(phi);
2577         /* Beware of accuracy loss, cannot use 1-sqrt(cos^2) ! */
2578         sin_phi = sin(phi);
2579
2580         for (j = 0; (j < NR_RBDIHS); j++)
2581         {
2582             parmA[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcA[j];
2583             parmB[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcB[j];
2584             parm[j]  = L1*parmA[j]+lambda*parmB[j];
2585         }
2586         /* Calculate cosine powers */
2587         /* Calculate the energy */
2588         /* Calculate the derivative */
2589
2590         v            = parm[0];
2591         dvdl_term   += (parmB[0]-parmA[0]);
2592         ddphi        = c0;
2593         cosfac       = c1;
2594
2595         rbp          = parm[1];
2596         rbpBA        = parmB[1]-parmA[1];
2597         ddphi       += rbp*cosfac;
2598         cosfac      *= cos_phi;
2599         v           += cosfac*rbp;
2600         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2601         rbp          = parm[2];
2602         rbpBA        = parmB[2]-parmA[2];
2603         ddphi       += c2*rbp*cosfac;
2604         cosfac      *= cos_phi;
2605         v           += cosfac*rbp;
2606         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2607         rbp          = parm[3];
2608         rbpBA        = parmB[3]-parmA[3];
2609         ddphi       += c3*rbp*cosfac;
2610         cosfac      *= cos_phi;
2611         v           += cosfac*rbp;
2612         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2613         rbp          = parm[4];
2614         rbpBA        = parmB[4]-parmA[4];
2615         ddphi       += c4*rbp*cosfac;
2616         cosfac      *= cos_phi;
2617         v           += cosfac*rbp;
2618         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2619         rbp          = parm[5];
2620         rbpBA        = parmB[5]-parmA[5];
2621         ddphi       += c5*rbp*cosfac;
2622         cosfac      *= cos_phi;
2623         v           += cosfac*rbp;
2624         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2625
2626         ddphi = -ddphi*sin_phi;         /*  11          */
2627
2628         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2629                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2630         vtot += v;
2631     }
2632     *dvdlambda += dvdl_term;
2633
2634     return vtot;
2635 }
2636
2637 int cmap_setup_grid_index(int ip, int grid_spacing, int *ipm1, int *ipp1, int *ipp2)
2638 {
2639     int im1, ip1, ip2;
2640
2641     if (ip < 0)
2642     {
2643         ip = ip + grid_spacing - 1;
2644     }
2645     else if (ip > grid_spacing)
2646     {
2647         ip = ip - grid_spacing - 1;
2648     }
2649
2650     im1 = ip - 1;
2651     ip1 = ip + 1;
2652     ip2 = ip + 2;
2653
2654     if (ip == 0)
2655     {
2656         im1 = grid_spacing - 1;
2657     }
2658     else if (ip == grid_spacing-2)
2659     {
2660         ip2 = 0;
2661     }
2662     else if (ip == grid_spacing-1)
2663     {
2664         ip1 = 0;
2665         ip2 = 1;
2666     }
2667
2668     *ipm1 = im1;
2669     *ipp1 = ip1;
2670     *ipp2 = ip2;
2671
2672     return ip;
2673
2674 }
2675
2676 real cmap_dihs(int nbonds,
2677                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2678                const gmx_cmap_t *cmap_grid,
2679                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2680                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2681                real lambda, real *dvdlambda,
2682                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
2683                int *global_atom_index)
2684 {
2685     int         i, j, k, n, idx;
2686     int         ai, aj, ak, al, am;
2687     int         a1i, a1j, a1k, a1l, a2i, a2j, a2k, a2l;
2688     int         type, cmapA;
2689     int         t11, t21, t31, t12, t22, t32;
2690     int         iphi1, ip1m1, ip1p1, ip1p2;
2691     int         iphi2, ip2m1, ip2p1, ip2p2;
2692     int         l1, l2, l3, l4;
2693     int         pos1, pos2, pos3, pos4, tmp;
2694
2695     real        ty[4], ty1[4], ty2[4], ty12[4], tc[16], tx[16];
2696     real        phi1, psi1, cos_phi1, sin_phi1, sign1, xphi1;
2697     real        phi2, psi2, cos_phi2, sin_phi2, sign2, xphi2;
2698     real        dx, xx, tt, tu, e, df1, df2, ddf1, ddf2, ddf12, vtot;
2699     real        ra21, rb21, rg21, rg1, rgr1, ra2r1, rb2r1, rabr1;
2700     real        ra22, rb22, rg22, rg2, rgr2, ra2r2, rb2r2, rabr2;
2701     real        fg1, hg1, fga1, hgb1, gaa1, gbb1;
2702     real        fg2, hg2, fga2, hgb2, gaa2, gbb2;
2703     real        fac;
2704
2705     rvec        r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1;
2706     rvec        r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2;
2707     rvec        f1_i, f1_j, f1_k, f1_l;
2708     rvec        f2_i, f2_j, f2_k, f2_l;
2709     rvec        a1, b1, a2, b2;
2710     rvec        f1, g1, h1, f2, g2, h2;
2711     rvec        dtf1, dtg1, dth1, dtf2, dtg2, dth2;
2712     ivec        jt1, dt1_ij, dt1_kj, dt1_lj;
2713     ivec        jt2, dt2_ij, dt2_kj, dt2_lj;
2714
2715     const real *cmapd;
2716
2717     int         loop_index[4][4] = {
2718         {0, 4, 8, 12},
2719         {1, 5, 9, 13},
2720         {2, 6, 10, 14},
2721         {3, 7, 11, 15}
2722     };
2723
2724     /* Total CMAP energy */
2725     vtot = 0;
2726
2727     for (n = 0; n < nbonds; )
2728     {
2729         /* Five atoms are involved in the two torsions */
2730         type   = forceatoms[n++];
2731         ai     = forceatoms[n++];
2732         aj     = forceatoms[n++];
2733         ak     = forceatoms[n++];
2734         al     = forceatoms[n++];
2735         am     = forceatoms[n++];
2736
2737         /* Which CMAP type is this */
2738         cmapA = forceparams[type].cmap.cmapA;
2739         cmapd = cmap_grid->cmapdata[cmapA].cmap;
2740
2741         /* First torsion */
2742         a1i   = ai;
2743         a1j   = aj;
2744         a1k   = ak;
2745         a1l   = al;
2746
2747         phi1  = dih_angle(x[a1i], x[a1j], x[a1k], x[a1l], pbc, r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1,
2748                           &sign1, &t11, &t21, &t31);  /* 84 */
2749
2750         cos_phi1 = cos(phi1);
2751
2752         a1[0] = r1_ij[1]*r1_kj[2]-r1_ij[2]*r1_kj[1];
2753         a1[1] = r1_ij[2]*r1_kj[0]-r1_ij[0]*r1_kj[2];
2754         a1[2] = r1_ij[0]*r1_kj[1]-r1_ij[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2755
2756         b1[0] = r1_kl[1]*r1_kj[2]-r1_kl[2]*r1_kj[1];
2757         b1[1] = r1_kl[2]*r1_kj[0]-r1_kl[0]*r1_kj[2];
2758         b1[2] = r1_kl[0]*r1_kj[1]-r1_kl[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2759
2760         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1k], h1);
2761
2762         ra21  = iprod(a1, a1);       /* 5 */
2763         rb21  = iprod(b1, b1);       /* 5 */
2764         rg21  = iprod(r1_kj, r1_kj); /* 5 */
2765         rg1   = sqrt(rg21);
2766
2767         rgr1  = 1.0/rg1;
2768         ra2r1 = 1.0/ra21;
2769         rb2r1 = 1.0/rb21;
2770         rabr1 = sqrt(ra2r1*rb2r1);
2771
2772         sin_phi1 = rg1 * rabr1 * iprod(a1, h1) * (-1);
2773
2774         if (cos_phi1 < -0.5 || cos_phi1 > 0.5)
2775         {
2776             phi1 = asin(sin_phi1);
2777
2778             if (cos_phi1 < 0)
2779             {
2780                 if (phi1 > 0)
2781                 {
2782                     phi1 = M_PI - phi1;
2783                 }
2784                 else
2785                 {
2786                     phi1 = -M_PI - phi1;
2787                 }
2788             }
2789         }
2790         else
2791         {
2792             phi1 = acos(cos_phi1);
2793
2794             if (sin_phi1 < 0)
2795             {
2796                 phi1 = -phi1;
2797             }
2798         }
2799
2800         xphi1 = phi1 + M_PI; /* 1 */
2801
2802         /* Second torsion */
2803         a2i   = aj;
2804         a2j   = ak;
2805         a2k   = al;
2806         a2l   = am;
2807
2808         phi2  = dih_angle(x[a2i], x[a2j], x[a2k], x[a2l], pbc, r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2,
2809                           &sign2, &t12, &t22, &t32); /* 84 */
2810
2811         cos_phi2 = cos(phi2);
2812
2813         a2[0] = r2_ij[1]*r2_kj[2]-r2_ij[2]*r2_kj[1];
2814         a2[1] = r2_ij[2]*r2_kj[0]-r2_ij[0]*r2_kj[2];
2815         a2[2] = r2_ij[0]*r2_kj[1]-r2_ij[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2816
2817         b2[0] = r2_kl[1]*r2_kj[2]-r2_kl[2]*r2_kj[1];
2818         b2[1] = r2_kl[2]*r2_kj[0]-r2_kl[0]*r2_kj[2];
2819         b2[2] = r2_kl[0]*r2_kj[1]-r2_kl[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2820
2821         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2k], h2);
2822
2823         ra22  = iprod(a2, a2);         /* 5 */
2824         rb22  = iprod(b2, b2);         /* 5 */
2825         rg22  = iprod(r2_kj, r2_kj);   /* 5 */
2826         rg2   = sqrt(rg22);
2827
2828         rgr2  = 1.0/rg2;
2829         ra2r2 = 1.0/ra22;
2830         rb2r2 = 1.0/rb22;
2831         rabr2 = sqrt(ra2r2*rb2r2);
2832
2833         sin_phi2 = rg2 * rabr2 * iprod(a2, h2) * (-1);
2834
2835         if (cos_phi2 < -0.5 || cos_phi2 > 0.5)
2836         {
2837             phi2 = asin(sin_phi2);
2838
2839             if (cos_phi2 < 0)
2840             {
2841                 if (phi2 > 0)
2842                 {
2843                     phi2 = M_PI - phi2;
2844                 }
2845                 else
2846                 {
2847                     phi2 = -M_PI - phi2;
2848                 }
2849             }
2850         }
2851         else
2852         {
2853             phi2 = acos(cos_phi2);
2854
2855             if (sin_phi2 < 0)
2856             {
2857                 phi2 = -phi2;
2858             }
2859         }
2860
2861         xphi2 = phi2 + M_PI; /* 1 */
2862
2863         /* Range mangling */
2864         if (xphi1 < 0)
2865         {
2866             xphi1 = xphi1 + 2*M_PI;
2867         }
2868         else if (xphi1 >= 2*M_PI)
2869         {
2870             xphi1 = xphi1 - 2*M_PI;
2871         }
2872
2873         if (xphi2 < 0)
2874         {
2875             xphi2 = xphi2 + 2*M_PI;
2876         }
2877         else if (xphi2 >= 2*M_PI)
2878         {
2879             xphi2 = xphi2 - 2*M_PI;
2880         }
2881
2882         /* Number of grid points */
2883         dx = 2*M_PI / cmap_grid->grid_spacing;
2884
2885         /* Where on the grid are we */
2886         iphi1 = (int)(xphi1/dx);
2887         iphi2 = (int)(xphi2/dx);
2888
2889         iphi1 = cmap_setup_grid_index(iphi1, cmap_grid->grid_spacing, &ip1m1, &ip1p1, &ip1p2);
2890         iphi2 = cmap_setup_grid_index(iphi2, cmap_grid->grid_spacing, &ip2m1, &ip2p1, &ip2p2);
2891
2892         pos1    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
2893         pos2    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
2894         pos3    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
2895         pos4    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
2896
2897         ty[0]   = cmapd[pos1*4];
2898         ty[1]   = cmapd[pos2*4];
2899         ty[2]   = cmapd[pos3*4];
2900         ty[3]   = cmapd[pos4*4];
2901
2902         ty1[0]   = cmapd[pos1*4+1];
2903         ty1[1]   = cmapd[pos2*4+1];
2904         ty1[2]   = cmapd[pos3*4+1];
2905         ty1[3]   = cmapd[pos4*4+1];
2906
2907         ty2[0]   = cmapd[pos1*4+2];
2908         ty2[1]   = cmapd[pos2*4+2];
2909         ty2[2]   = cmapd[pos3*4+2];
2910         ty2[3]   = cmapd[pos4*4+2];
2911
2912         ty12[0]   = cmapd[pos1*4+3];
2913         ty12[1]   = cmapd[pos2*4+3];
2914         ty12[2]   = cmapd[pos3*4+3];
2915         ty12[3]   = cmapd[pos4*4+3];
2916
2917         /* Switch to degrees */
2918         dx    = 360.0 / cmap_grid->grid_spacing;
2919         xphi1 = xphi1 * RAD2DEG;
2920         xphi2 = xphi2 * RAD2DEG;
2921
2922         for (i = 0; i < 4; i++) /* 16 */
2923         {
2924             tx[i]    = ty[i];
2925             tx[i+4]  = ty1[i]*dx;
2926             tx[i+8]  = ty2[i]*dx;
2927             tx[i+12] = ty12[i]*dx*dx;
2928         }
2929
2930         idx = 0;
2931         for (i = 0; i < 4; i++) /* 1056 */
2932         {
2933             for (j = 0; j < 4; j++)
2934             {
2935                 xx = 0;
2936                 for (k = 0; k < 16; k++)
2937                 {
2938                     xx = xx + cmap_coeff_matrix[k*16+idx]*tx[k];
2939                 }
2940
2941                 idx++;
2942                 tc[i*4+j] = xx;
2943             }
2944         }
2945
2946         tt    = (xphi1-iphi1*dx)/dx;
2947         tu    = (xphi2-iphi2*dx)/dx;
2948
2949         e     = 0;
2950         df1   = 0;
2951         df2   = 0;
2952         ddf1  = 0;
2953         ddf2  = 0;
2954         ddf12 = 0;
2955
2956         for (i = 3; i >= 0; i--)
2957         {
2958             l1 = loop_index[i][3];
2959             l2 = loop_index[i][2];
2960             l3 = loop_index[i][1];
2961
2962             e     = tt * e    + ((tc[i*4+3]*tu+tc[i*4+2])*tu + tc[i*4+1])*tu+tc[i*4];
2963             df1   = tu * df1  + (3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2])*tt+tc[l3];
2964             df2   = tt * df2  + (3.0*tc[i*4+3]*tu+2.0*tc[i*4+2])*tu+tc[i*4+1];
2965             ddf1  = tu * ddf1 + 2.0*3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2];
2966             ddf2  = tt * ddf2 + 2.0*3.0*tc[4*i+3]*tu+2.0*tc[4*i+2];
2967         }
2968
2969         ddf12 = tc[5] + 2.0*tc[9]*tt + 3.0*tc[13]*tt*tt + 2.0*tu*(tc[6]+2.0*tc[10]*tt+3.0*tc[14]*tt*tt) +
2970             3.0*tu*tu*(tc[7]+2.0*tc[11]*tt+3.0*tc[15]*tt*tt);
2971
2972         fac     = RAD2DEG/dx;
2973         df1     = df1   * fac;
2974         df2     = df2   * fac;
2975         ddf1    = ddf1  * fac * fac;
2976         ddf2    = ddf2  * fac * fac;
2977         ddf12   = ddf12 * fac * fac;
2978
2979         /* CMAP energy */
2980         vtot += e;
2981
2982         /* Do forces - first torsion */
2983         fg1       = iprod(r1_ij, r1_kj);
2984         hg1       = iprod(r1_kl, r1_kj);
2985         fga1      = fg1*ra2r1*rgr1;
2986         hgb1      = hg1*rb2r1*rgr1;
2987         gaa1      = -ra2r1*rg1;
2988         gbb1      = rb2r1*rg1;
2989
2990         for (i = 0; i < DIM; i++)
2991         {
2992             dtf1[i]   = gaa1 * a1[i];
2993             dtg1[i]   = fga1 * a1[i] - hgb1 * b1[i];
2994             dth1[i]   = gbb1 * b1[i];
2995
2996             f1[i]     = df1  * dtf1[i];
2997             g1[i]     = df1  * dtg1[i];
2998             h1[i]     = df1  * dth1[i];
2999
3000             f1_i[i]   =  f1[i];
3001             f1_j[i]   = -f1[i] - g1[i];
3002             f1_k[i]   =  h1[i] + g1[i];
3003             f1_l[i]   = -h1[i];
3004
3005             f[a1i][i] = f[a1i][i] + f1_i[i];
3006             f[a1j][i] = f[a1j][i] + f1_j[i]; /* - f1[i] - g1[i] */
3007             f[a1k][i] = f[a1k][i] + f1_k[i]; /* h1[i] + g1[i] */
3008             f[a1l][i] = f[a1l][i] + f1_l[i]; /* h1[i] */
3009         }
3010
3011         /* Do forces - second torsion */
3012         fg2       = iprod(r2_ij, r2_kj);
3013         hg2       = iprod(r2_kl, r2_kj);
3014         fga2      = fg2*ra2r2*rgr2;
3015         hgb2      = hg2*rb2r2*rgr2;
3016         gaa2      = -ra2r2*rg2;
3017         gbb2      = rb2r2*rg2;
3018
3019         for (i = 0; i < DIM; i++)
3020         {
3021             dtf2[i]   = gaa2 * a2[i];
3022             dtg2[i]   = fga2 * a2[i] - hgb2 * b2[i];
3023             dth2[i]   = gbb2 * b2[i];
3024
3025             f2[i]     = df2  * dtf2[i];
3026             g2[i]     = df2  * dtg2[i];
3027             h2[i]     = df2  * dth2[i];
3028
3029             f2_i[i]   =  f2[i];
3030             f2_j[i]   = -f2[i] - g2[i];
3031             f2_k[i]   =  h2[i] + g2[i];
3032             f2_l[i]   = -h2[i];
3033
3034             f[a2i][i] = f[a2i][i] + f2_i[i]; /* f2[i] */
3035             f[a2j][i] = f[a2j][i] + f2_j[i]; /* - f2[i] - g2[i] */
3036             f[a2k][i] = f[a2k][i] + f2_k[i]; /* h2[i] + g2[i] */
3037             f[a2l][i] = f[a2l][i] + f2_l[i]; /* - h2[i] */
3038         }
3039
3040         /* Shift forces */
3041         if (g)
3042         {
3043             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a1j), jt1);
3044             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1i),  jt1, dt1_ij);
3045             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1k),  jt1, dt1_kj);
3046             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1l),  jt1, dt1_lj);
3047             t11 = IVEC2IS(dt1_ij);
3048             t21 = IVEC2IS(dt1_kj);
3049             t31 = IVEC2IS(dt1_lj);
3050
3051             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a2j), jt2);
3052             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2i),  jt2, dt2_ij);
3053             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2k),  jt2, dt2_kj);
3054             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2l),  jt2, dt2_lj);
3055             t12 = IVEC2IS(dt2_ij);
3056             t22 = IVEC2IS(dt2_kj);
3057             t32 = IVEC2IS(dt2_lj);
3058         }
3059         else if (pbc)
3060         {
3061             t31 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1j], h1);
3062             t32 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2j], h2);
3063         }
3064         else
3065         {
3066             t31 = CENTRAL;
3067             t32 = CENTRAL;
3068         }
3069
3070         rvec_inc(fshift[t11], f1_i);
3071         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f1_j);
3072         rvec_inc(fshift[t21], f1_k);
3073         rvec_inc(fshift[t31], f1_l);
3074
3075         rvec_inc(fshift[t21], f2_i);
3076         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f2_j);
3077         rvec_inc(fshift[t22], f2_k);
3078         rvec_inc(fshift[t32], f2_l);
3079     }
3080     return vtot;
3081 }
3082
3083
3084
3085 /***********************************************************
3086  *
3087  *   G R O M O S  9 6   F U N C T I O N S
3088  *
3089  ***********************************************************/
3090 real g96harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
3091                  real *V, real *F)
3092 {
3093     const real half = 0.5;
3094     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
3095     real       v, f, dvdlambda;
3096
3097     L1    = 1.0-lambda;
3098     kk    = L1*kA+lambda*kB;
3099     x0    = L1*xA+lambda*xB;
3100
3101     dx    = x-x0;
3102     dx2   = dx*dx;
3103
3104     f          = -kk*dx;
3105     v          = half*kk*dx2;
3106     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
3107
3108     *F    = f;
3109     *V    = v;
3110
3111     return dvdlambda;
3112
3113     /* That was 21 flops */
3114 }
3115
3116 real g96bonds(int nbonds,
3117               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3118               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3119               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3120               real lambda, real *dvdlambda,
3121               const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3122               int *global_atom_index)
3123 {
3124     int  i, m, ki, ai, aj, type;
3125     real dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3126     rvec dx;
3127     ivec dt;
3128
3129     vtot = 0.0;
3130     for (i = 0; (i < nbonds); )
3131     {
3132         type = forceatoms[i++];
3133         ai   = forceatoms[i++];
3134         aj   = forceatoms[i++];
3135
3136         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3137         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3138
3139         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3140                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3141                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3142                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3143                                   dr2, lambda, &vbond, &fbond);
3144
3145         vtot  += 0.5*vbond;                         /* 1*/
3146 #ifdef DEBUG
3147         if (debug)
3148         {
3149             fprintf(debug, "G96-BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3150                     sqrt(dr2), vbond, fbond);
3151         }
3152 #endif
3153
3154         if (g)
3155         {
3156             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3157             ki = IVEC2IS(dt);
3158         }
3159         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3160         {
3161             fij                 = fbond*dx[m];
3162             f[ai][m]           += fij;
3163             f[aj][m]           -= fij;
3164             fshift[ki][m]      += fij;
3165             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3166         }
3167     }               /* 44 TOTAL */
3168     return vtot;
3169 }
3170
3171 real g96bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
3172                    rvec r_ij, rvec r_kj,
3173                    int *t1, int *t2)
3174 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
3175 {
3176     real costh;
3177
3178     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
3179     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
3180
3181     costh = cos_angle(r_ij, r_kj);         /* 25                */
3182     /* 41 TOTAL */
3183     return costh;
3184 }
3185
3186 real g96angles(int nbonds,
3187                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3188                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3189                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3190                real lambda, real *dvdlambda,
3191                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3192                int *global_atom_index)
3193 {
3194     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3195     rvec r_ij, r_kj;
3196     real cos_theta, dVdt, va, vtot;
3197     real rij_1, rij_2, rkj_1, rkj_2, rijrkj_1;
3198     rvec f_i, f_j, f_k;
3199     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3200
3201     vtot = 0.0;
3202     for (i = 0; (i < nbonds); )
3203     {
3204         type = forceatoms[i++];
3205         ai   = forceatoms[i++];
3206         aj   = forceatoms[i++];
3207         ak   = forceatoms[i++];
3208
3209         cos_theta  = g96bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc, r_ij, r_kj, &t1, &t2);
3210
3211         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3212                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3213                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3214                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3215                                   cos_theta, lambda, &va, &dVdt);
3216         vtot    += va;
3217
3218         rij_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_ij, r_ij));
3219         rkj_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_kj, r_kj));
3220         rij_2    = rij_1*rij_1;
3221         rkj_2    = rkj_1*rkj_1;
3222         rijrkj_1 = rij_1*rkj_1;                 /* 23 */
3223
3224 #ifdef DEBUG
3225         if (debug)
3226         {
3227             fprintf(debug, "G96ANGLES: costheta = %10g  vth = %10g  dV/dct = %10g\n",
3228                     cos_theta, va, dVdt);
3229         }
3230 #endif
3231         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  42  */
3232         {
3233             f_i[m]    = dVdt*(r_kj[m]*rijrkj_1 - r_ij[m]*rij_2*cos_theta);
3234             f_k[m]    = dVdt*(r_ij[m]*rijrkj_1 - r_kj[m]*rkj_2*cos_theta);
3235             f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3236             f[ai][m] += f_i[m];
3237             f[aj][m] += f_j[m];
3238             f[ak][m] += f_k[m];
3239         }
3240
3241         if (g)
3242         {
3243             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3244
3245             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3246             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3247             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3248             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3249         }
3250         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3251         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3252         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3253         /* 163 TOTAL    */
3254     }
3255     return vtot;
3256 }
3257
3258 real cross_bond_bond(int nbonds,
3259                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3260                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3261                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3262                      real lambda, real *dvdlambda,
3263                      const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3264                      int *global_atom_index)
3265 {
3266     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3267      * pp. 842-847
3268      */
3269     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3270     rvec r_ij, r_kj;
3271     real vtot, vrr, s1, s2, r1, r2, r1e, r2e, krr;
3272     rvec f_i, f_j, f_k;
3273     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3274
3275     vtot = 0.0;
3276     for (i = 0; (i < nbonds); )
3277     {
3278         type = forceatoms[i++];
3279         ai   = forceatoms[i++];
3280         aj   = forceatoms[i++];
3281         ak   = forceatoms[i++];
3282         r1e  = forceparams[type].cross_bb.r1e;
3283         r2e  = forceparams[type].cross_bb.r2e;
3284         krr  = forceparams[type].cross_bb.krr;
3285
3286         /* Compute distance vectors ... */
3287         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3288         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3289
3290         /* ... and their lengths */
3291         r1 = norm(r_ij);
3292         r2 = norm(r_kj);
3293
3294         /* Deviations from ideality */
3295         s1 = r1-r1e;
3296         s2 = r2-r2e;
3297
3298         /* Energy (can be negative!) */
3299         vrr   = krr*s1*s2;
3300         vtot += vrr;
3301
3302         /* Forces */
3303         svmul(-krr*s2/r1, r_ij, f_i);
3304         svmul(-krr*s1/r2, r_kj, f_k);
3305
3306         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3307         {
3308             f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
3309             f[ai][m] += f_i[m];
3310             f[aj][m] += f_j[m];
3311             f[ak][m] += f_k[m];
3312         }
3313
3314         /* Virial stuff */
3315         if (g)
3316         {
3317             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3318
3319             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3320             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3321             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3322             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3323         }
3324         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3325         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3326         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3327         /* 163 TOTAL    */
3328     }
3329     return vtot;
3330 }
3331
3332 real cross_bond_angle(int nbonds,
3333                       const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3334                       const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3335                       const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3336                       real lambda, real *dvdlambda,
3337                       const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3338                       int *global_atom_index)
3339 {
3340     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3341      * pp. 842-847
3342      */
3343     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2, t3;
3344     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
3345     real vtot, vrt, s1, s2, s3, r1, r2, r3, r1e, r2e, r3e, krt, k1, k2, k3;
3346     rvec f_i, f_j, f_k;
3347     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3348
3349     vtot = 0.0;
3350     for (i = 0; (i < nbonds); )
3351     {
3352         type = forceatoms[i++];
3353         ai   = forceatoms[i++];
3354         aj   = forceatoms[i++];
3355         ak   = forceatoms[i++];
3356         r1e  = forceparams[type].cross_ba.r1e;
3357         r2e  = forceparams[type].cross_ba.r2e;
3358         r3e  = forceparams[type].cross_ba.r3e;
3359         krt  = forceparams[type].cross_ba.krt;
3360
3361         /* Compute distance vectors ... */
3362         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3363         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3364         t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);
3365
3366         /* ... and their lengths */
3367         r1 = norm(r_ij);
3368         r2 = norm(r_kj);
3369         r3 = norm(r_ik);
3370
3371         /* Deviations from ideality */
3372         s1 = r1-r1e;
3373         s2 = r2-r2e;
3374         s3 = r3-r3e;
3375
3376         /* Energy (can be negative!) */
3377         vrt   = krt*s3*(s1+s2);
3378         vtot += vrt;
3379
3380         /* Forces */
3381         k1 = -krt*(s3/r1);
3382         k2 = -krt*(s3/r2);
3383         k3 = -krt*(s1+s2)/r3;
3384         for (m = 0; (m < DIM); m++)
3385         {
3386             f_i[m] = k1*r_ij[m] + k3*r_ik[m];
3387             f_k[m] = k2*r_kj[m] - k3*r_ik[m];
3388             f_j[m] = -f_i[m] - f_k[m];
3389         }
3390
3391         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3392         {
3393             f[ai][m] += f_i[m];
3394             f[aj][m] += f_j[m];
3395             f[ak][m] += f_k[m];
3396         }
3397
3398         /* Virial stuff */
3399         if (g)
3400         {
3401             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3402
3403             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3404             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3405             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3406             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3407         }
3408         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3409         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3410         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3411         /* 163 TOTAL    */
3412     }
3413     return vtot;
3414 }
3415
3416 static real bonded_tab(const char *type, int table_nr,
3417                        const bondedtable_t *table, real kA, real kB, real r,
3418                        real lambda, real *V, real *F)
3419 {
3420     real k, tabscale, *VFtab, rt, eps, eps2, Yt, Ft, Geps, Heps2, Fp, VV, FF;
3421     int  n0, nnn;
3422     real v, f, dvdlambda;
3423
3424     k = (1.0 - lambda)*kA + lambda*kB;
3425
3426     tabscale = table->scale;
3427     VFtab    = table->data;
3428
3429     rt    = r*tabscale;
3430     n0    = rt;
3431     if (n0 >= table->n)
3432     {
3433         gmx_fatal(FARGS, "A tabulated %s interaction table number %d is out of the table range: r %f, between table indices %d and %d, table length %d",
3434                   type, table_nr, r, n0, n0+1, table->n);
3435     }
3436     eps   = rt - n0;
3437     eps2  = eps*eps;
3438     nnn   = 4*n0;
3439     Yt    = VFtab[nnn];
3440     Ft    = VFtab[nnn+1];
3441     Geps  = VFtab[nnn+2]*eps;
3442     Heps2 = VFtab[nnn+3]*eps2;
3443     Fp    = Ft + Geps + Heps2;
3444     VV    = Yt + Fp*eps;
3445     FF    = Fp + Geps + 2.0*Heps2;
3446
3447     *F         = -k*FF*tabscale;
3448     *V         = k*VV;
3449     dvdlambda  = (kB - kA)*VV;
3450
3451     return dvdlambda;
3452
3453     /* That was 22 flops */
3454 }
3455
3456 real tab_bonds(int nbonds,
3457                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3458                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3459                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3460                real lambda, real *dvdlambda,
3461                const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3462                int *global_atom_index)
3463 {
3464     int  i, m, ki, ai, aj, type, table;
3465     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3466     rvec dx;
3467     ivec dt;
3468
3469     vtot = 0.0;
3470     for (i = 0; (i < nbonds); )
3471     {
3472         type = forceatoms[i++];
3473         ai   = forceatoms[i++];
3474         aj   = forceatoms[i++];
3475
3476         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3477         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3478         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
3479
3480         table = forceparams[type].tab.table;
3481
3482         *dvdlambda += bonded_tab("bond", table,
3483                                  &fcd->bondtab[table],
3484                                  forceparams[type].tab.kA,
3485                                  forceparams[type].tab.kB,
3486                                  dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  22 */
3487
3488         if (dr2 == 0.0)
3489         {
3490             continue;
3491         }
3492
3493
3494         vtot  += vbond;            /* 1*/
3495         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
3496 #ifdef DEBUG
3497         if (debug)
3498         {
3499             fprintf(debug, "TABBONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3500                     dr, vbond, fbond);
3501         }
3502 #endif
3503         if (g)
3504         {
3505             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3506             ki = IVEC2IS(dt);
3507         }
3508         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3509         {
3510             fij                 = fbond*dx[m];
3511             f[ai][m]           += fij;
3512             f[aj][m]           -= fij;
3513             fshift[ki][m]      += fij;
3514             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3515         }
3516     }               /* 62 TOTAL */
3517     return vtot;
3518 }
3519
3520 real tab_angles(int nbonds,
3521                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3522                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3523                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3524                 real lambda, real *dvdlambda,
3525                 const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3526                 int *global_atom_index)
3527 {
3528     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type, table;
3529     rvec r_ij, r_kj;
3530     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
3531     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3532
3533     vtot = 0.0;
3534     for (i = 0; (i < nbonds); )
3535     {
3536         type = forceatoms[i++];
3537         ai   = forceatoms[i++];
3538         aj   = forceatoms[i++];
3539         ak   = forceatoms[i++];
3540
3541         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
3542                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
3543
3544         table = forceparams[type].tab.table;
3545
3546         *dvdlambda += bonded_tab("angle", table,
3547                                  &fcd->angletab[table],
3548                                  forceparams[type].tab.kA,
3549                                  forceparams[type].tab.kB,
3550                                  theta, lambda, &va, &dVdt); /*  22  */
3551         vtot += va;
3552
3553         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
3554         if (cos_theta2 < 1)
3555         {
3556             int  m;
3557             real snt, st, sth;
3558             real cik, cii, ckk;
3559             real nrkj2, nrij2;
3560             rvec f_i, f_j, f_k;
3561
3562             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
3563             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
3564 #ifdef DEBUG
3565             if (debug)
3566             {
3567                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
3568                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
3569             }
3570 #endif
3571             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
3572             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
3573
3574             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
3575             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
3576             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
3577
3578             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
3579             {
3580                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
3581                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
3582                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3583                 f[ai][m] += f_i[m];
3584                 f[aj][m] += f_j[m];
3585                 f[ak][m] += f_k[m];
3586             }
3587             if (g)
3588             {
3589                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3590
3591                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3592                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3593                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3594                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3595             }
3596             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3597             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3598             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
3599         }                                       /* 169 TOTAL    */
3600     }
3601     return vtot;
3602 }
3603
3604 real tab_dihs(int nbonds,
3605               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3606               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3607               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3608               real lambda, real *dvdlambda,
3609               const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3610               int *global_atom_index)
3611 {
3612     int  i, type, ai, aj, ak, al, table;
3613     int  t1, t2, t3;
3614     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
3615     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
3616
3617     vtot = 0.0;
3618     for (i = 0; (i < nbonds); )
3619     {
3620         type = forceatoms[i++];
3621         ai   = forceatoms[i++];
3622         aj   = forceatoms[i++];
3623         ak   = forceatoms[i++];
3624         al   = forceatoms[i++];
3625
3626         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3627                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84  */
3628
3629         table = forceparams[type].tab.table;
3630
3631         /* Hopefully phi+M_PI never results in values < 0 */
3632         *dvdlambda += bonded_tab("dihedral", table,
3633                                  &fcd->dihtab[table],
3634                                  forceparams[type].tab.kA,
3635                                  forceparams[type].tab.kB,
3636                                  phi+M_PI, lambda, &vpd, &ddphi);
3637
3638         vtot += vpd;
3639         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, -ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3640                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112    */
3641
3642 #ifdef DEBUG
3643         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
3644                 ai, aj, ak, al, phi);
3645 #endif
3646     } /* 227 TOTAL  */
3647
3648     return vtot;
3649 }
3650
3651 /* Return if this is a potential calculated in bondfree.c,
3652  * i.e. an interaction that actually calculates a potential and
3653  * works on multiple atoms (not e.g. a connection or a position restraint).
3654  */
3655 static gmx_inline gmx_bool ftype_is_bonded_potential(int ftype)
3656 {
3657     return
3658         (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
3659         !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES) &&
3660         (ftype < F_GB12 || ftype > F_GB14);
3661 }
3662
3663 static void divide_bondeds_over_threads(t_idef *idef, int nthreads)
3664 {
3665     int ftype;
3666     int nat1;
3667     int t;
3668     int il_nr_thread;
3669
3670     idef->nthreads = nthreads;
3671
3672     if (F_NRE*(nthreads+1) > idef->il_thread_division_nalloc)
3673     {
3674         idef->il_thread_division_nalloc = F_NRE*(nthreads+1);
3675         snew(idef->il_thread_division, idef->il_thread_division_nalloc);
3676     }
3677
3678     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
3679     {
3680         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
3681         {
3682             nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3683
3684             for (t = 0; t <= nthreads; t++)
3685             {
3686                 /* Divide the interactions equally over the threads.
3687                  * When the different types of bonded interactions
3688                  * are distributed roughly equally over the threads,
3689                  * this should lead to well localized output into
3690                  * the force buffer on each thread.
3691                  * If this is not the case, a more advanced scheme
3692                  * (not implemented yet) will do better.
3693                  */
3694                 il_nr_thread = (((idef->il[ftype].nr/nat1)*t)/nthreads)*nat1;
3695
3696                 /* Ensure that distance restraint pairs with the same label
3697                  * end up on the same thread.
3698                  * This is slighlty tricky code, since the next for iteration
3699                  * may have an initial il_nr_thread lower than the final value
3700                  * in the previous iteration, but this will anyhow be increased
3701                  * to the approriate value again by this while loop.
3702                  */
3703                 while (ftype == F_DISRES &&
3704                        il_nr_thread > 0 &&
3705                        il_nr_thread < idef->il[ftype].nr &&
3706                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread]].disres.label ==
3707                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread-nat1]].disres.label)
3708                 {
3709                     il_nr_thread += nat1;
3710                 }
3711
3712                 idef->il_thread_division[ftype*(nthreads+1)+t] = il_nr_thread;
3713             }
3714         }
3715     }
3716 }
3717
3718 static unsigned
3719 calc_bonded_reduction_mask(const t_idef *idef,
3720                            int shift,
3721                            int t, int nt)
3722 {
3723     unsigned mask;
3724     int      ftype, nb, nat1, nb0, nb1, i, a;
3725
3726     mask = 0;
3727
3728     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
3729     {
3730         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
3731         {
3732             nb = idef->il[ftype].nr;
3733             if (nb > 0)
3734             {
3735                 nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3736
3737                 /* Divide this interaction equally over the threads.
3738                  * This is not stored: should match division in calc_bonds.
3739                  */
3740                 nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t];
3741                 nb1 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t+1];
3742
3743                 for (i = nb0; i < nb1; i += nat1)
3744                 {
3745                     for (a = 1; a < nat1; a++)
3746                     {
3747                         mask |= (1U << (idef->il[ftype].iatoms[i+a]>>shift));
3748                     }
3749                 }
3750             }
3751         }
3752     }
3753
3754     return mask;
3755 }
3756
3757 void setup_bonded_threading(t_forcerec   *fr, t_idef *idef)
3758 {
3759 #define MAX_BLOCK_BITS 32
3760     int t;
3761     int ctot, c, b;
3762
3763 #ifndef NDEBUG
3764     assert(fr->nthreads >= 1);
3765 #endif
3766
3767     /* Divide the bonded interaction over the threads */
3768     divide_bondeds_over_threads(idef, fr->nthreads);
3769
3770     if (fr->nthreads == 1)
3771     {
3772         fr->red_nblock = 0;
3773
3774         return;
3775     }
3776
3777     /* We divide the force array in a maximum of 32 blocks.
3778      * Minimum force block reduction size is 2^6=64.
3779      */
3780     fr->red_ashift = 6;
3781     while (fr->natoms_force > (int)(MAX_BLOCK_BITS*(1U<<fr->red_ashift)))
3782     {
3783         fr->red_ashift++;
3784     }
3785     if (debug)
3786     {
3787         fprintf(debug, "bonded force buffer block atom shift %d bits\n",
3788                 fr->red_ashift);
3789     }
3790
3791     /* Determine to which blocks each thread's bonded force calculation
3792      * contributes. Store this is a mask for each thread.
3793      */
3794 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
3795     for (t = 1; t < fr->nthreads; t++)
3796     {
3797         fr->f_t[t].red_mask =
3798             calc_bonded_reduction_mask(idef, fr->red_ashift, t, fr->nthreads);
3799     }
3800
3801     /* Determine the maximum number of blocks we need to reduce over */
3802     fr->red_nblock = 0;
3803     ctot           = 0;
3804     for (t = 0; t < fr->nthreads; t++)
3805     {
3806         c = 0;
3807         for (b = 0; b < MAX_BLOCK_BITS; b++)
3808         {
3809             if (fr->f_t[t].red_mask & (1U<<b))
3810             {
3811                 fr->red_nblock = max(fr->red_nblock, b+1);
3812                 c++;
3813             }
3814         }
3815         if (debug)
3816         {
3817             fprintf(debug, "thread %d flags %x count %d\n",
3818                     t, fr->f_t[t].red_mask, c);
3819         }
3820         ctot += c;
3821     }
3822     if (debug)
3823     {
3824         fprintf(debug, "Number of blocks to reduce: %d of size %d\n",
3825                 fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
3826         fprintf(debug, "Reduction density %.2f density/#thread %.2f\n",
3827                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)fr->natoms_force,
3828                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)(fr->natoms_force*fr->nthreads));
3829     }
3830 }
3831
3832 static void zero_thread_forces(f_thread_t *f_t, int n,
3833                                int nblock, int blocksize)
3834 {
3835     int b, a0, a1, a, i, j;
3836
3837     if (n > f_t->f_nalloc)
3838     {
3839         f_t->f_nalloc = over_alloc_large(n);
3840         srenew(f_t->f, f_t->f_nalloc);
3841     }
3842
3843     if (f_t->red_mask != 0)
3844     {
3845         for (b = 0; b < nblock; b++)
3846         {
3847             if (f_t->red_mask && (1U<<b))
3848             {
3849                 a0 = b*blocksize;
3850                 a1 = min((b+1)*blocksize, n);
3851                 for (a = a0; a < a1; a++)
3852                 {
3853                     clear_rvec(f_t->f[a]);
3854                 }
3855             }
3856         }
3857     }
3858     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
3859     {
3860         clear_rvec(f_t->fshift[i]);
3861     }
3862     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
3863     {
3864         f_t->ener[i] = 0;
3865     }
3866     for (i = 0; i < egNR; i++)
3867     {
3868         for (j = 0; j < f_t->grpp.nener; j++)
3869         {
3870             f_t->grpp.ener[i][j] = 0;
3871         }
3872     }
3873     for (i = 0; i < efptNR; i++)
3874     {
3875         f_t->dvdl[i] = 0;
3876     }
3877 }
3878
3879 static void reduce_thread_force_buffer(int n, rvec *f,
3880                                        int nthreads, f_thread_t *f_t,
3881                                        int nblock, int block_size)
3882 {
3883     /* The max thread number is arbitrary,
3884      * we used a fixed number to avoid memory management.
3885      * Using more than 16 threads is probably never useful performance wise.
3886      */
3887 #define MAX_BONDED_THREADS 256
3888     int b;
3889
3890     if (nthreads > MAX_BONDED_THREADS)
3891     {
3892         gmx_fatal(FARGS, "Can not reduce bonded forces on more than %d threads",
3893                   MAX_BONDED_THREADS);
3894     }
3895
3896     /* This reduction can run on any number of threads,
3897      * independently of nthreads.
3898      */
3899 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
3900     for (b = 0; b < nblock; b++)
3901     {
3902         rvec *fp[MAX_BONDED_THREADS];
3903         int   nfb, ft, fb;
3904         int   a0, a1, a;
3905
3906         /* Determine which threads contribute to this block */
3907         nfb = 0;
3908         for (ft = 1; ft < nthreads; ft++)
3909         {
3910             if (f_t[ft].red_mask & (1U<<b))
3911             {
3912                 fp[nfb++] = f_t[ft].f;
3913             }
3914         }
3915         if (nfb > 0)
3916         {
3917             /* Reduce force buffers for threads that contribute */
3918             a0 =  b   *block_size;
3919             a1 = (b+1)*block_size;
3920             a1 = min(a1, n);
3921             for (a = a0; a < a1; a++)
3922             {
3923                 for (fb = 0; fb < nfb; fb++)
3924                 {
3925                     rvec_inc(f[a], fp[fb][a]);
3926                 }
3927             }
3928         }
3929     }
3930 }
3931
3932 static void reduce_thread_forces(int n, rvec *f, rvec *fshift,
3933                                  real *ener, gmx_grppairener_t *grpp, real *dvdl,
3934                                  int nthreads, f_thread_t *f_t,
3935                                  int nblock, int block_size,
3936                                  gmx_bool bCalcEnerVir,
3937                                  gmx_bool bDHDL)
3938 {
3939     if (nblock > 0)
3940     {
3941         /* Reduce the bonded force buffer */
3942         reduce_thread_force_buffer(n, f, nthreads, f_t, nblock, block_size);
3943     }
3944
3945     /* When necessary, reduce energy and virial using one thread only */
3946     if (bCalcEnerVir)
3947     {
3948         int t, i, j;
3949
3950         for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
3951         {
3952             for (t = 1; t < nthreads; t++)
3953             {
3954                 rvec_inc(fshift[i], f_t[t].fshift[i]);
3955             }
3956         }
3957         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
3958         {
3959             for (t = 1; t < nthreads; t++)
3960             {
3961                 ener[i] += f_t[t].ener[i];
3962             }
3963         }
3964         for (i = 0; i < egNR; i++)
3965         {
3966             for (j = 0; j < f_t[1].grpp.nener; j++)
3967             {
3968                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
3969                 {
3970
3971                     grpp->ener[i][j] += f_t[t].grpp.ener[i][j];
3972                 }
3973             }
3974         }
3975         if (bDHDL)
3976         {
3977             for (i = 0; i < efptNR; i++)
3978             {
3979
3980                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
3981                 {
3982                     dvdl[i] += f_t[t].dvdl[i];
3983                 }
3984             }
3985         }
3986     }
3987 }
3988
3989 static real calc_one_bond(FILE *fplog, int thread,
3990                           int ftype, const t_idef *idef,
3991                           rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3992                           t_forcerec *fr,
3993                           const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3994                           gmx_grppairener_t *grpp,
3995                           t_nrnb *nrnb,
3996                           real *lambda, real *dvdl,
3997                           const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
3998                           gmx_bool bCalcEnerVir,
3999                           int *global_atom_index, gmx_bool bPrintSepPot)
4000 {
4001     int      nat1, nbonds, efptFTYPE;
4002     real     v = 0;
4003     t_iatom *iatoms;
4004     int      nb0, nbn;
4005
4006     if (IS_RESTRAINT_TYPE(ftype))
4007     {
4008         efptFTYPE = efptRESTRAINT;
4009     }
4010     else
4011     {
4012         efptFTYPE = efptBONDED;
4013     }
4014
4015     nat1      = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
4016     nbonds    = idef->il[ftype].nr/nat1;
4017     iatoms    = idef->il[ftype].iatoms;
4018
4019     nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread];
4020     nbn = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread+1] - nb0;
4021
4022     if (!IS_LISTED_LJ_C(ftype))
4023     {
4024         if (ftype == F_CMAP)
4025         {
4026             v = cmap_dihs(nbn, iatoms+nb0,
4027                           idef->iparams, &idef->cmap_grid,
4028                           (const rvec*)x, f, fshift,
4029                           pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4030                           md, fcd, global_atom_index);
4031         }
4032 #ifdef SIMD_BONDEDS
4033         else if (ftype == F_ANGLES &&
4034                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4035         {
4036             /* No energies, shift forces, dvdl */
4037             angles_noener_simd(nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4038                                idef->iparams,
4039                                (const rvec*)x, f,
4040                                pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4041                                global_atom_index);
4042             v = 0;
4043         }
4044 #endif
4045         else if (ftype == F_PDIHS &&
4046                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4047         {
4048             /* No energies, shift forces, dvdl */
4049 #ifndef SIMD_BONDEDS
4050             pdihs_noener
4051 #else
4052             pdihs_noener_simd
4053 #endif
4054                 (nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4055                  idef->iparams,
4056                  (const rvec*)x, f,
4057                  pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4058                  global_atom_index);
4059             v = 0;
4060         }
4061         else
4062         {
4063             v = interaction_function[ftype].ifunc(nbn, iatoms+nb0,
4064                                                   idef->iparams,
4065                                                   (const rvec*)x, f, fshift,
4066                                                   pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4067                                                   md, fcd, global_atom_index);
4068         }
4069         if (bPrintSepPot)
4070         {
4071             fprintf(fplog, "  %-23s #%4d  V %12.5e  dVdl %12.5e\n",
4072                     interaction_function[ftype].longname,
4073                     nbonds, v, lambda[efptFTYPE]);
4074         }
4075     }
4076     else
4077     {
4078         v = do_nonbonded_listed(ftype, nbn, iatoms+nb0, idef->iparams, (const rvec*)x, f, fshift,
4079                                 pbc, g, lambda, dvdl, md, fr, grpp, global_atom_index);
4080
4081         if (bPrintSepPot)
4082         {
4083             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4084                     interaction_function[ftype].longname,
4085                     interaction_function[F_LJ14].longname, nbonds, dvdl[efptVDW]);
4086             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4087                     interaction_function[ftype].longname,
4088                     interaction_function[F_COUL14].longname, nbonds, dvdl[efptCOUL]);
4089         }
4090     }
4091
4092     if (thread == 0)
4093     {
4094         inc_nrnb(nrnb, interaction_function[ftype].nrnb_ind, nbonds);
4095     }
4096
4097     return v;
4098 }
4099
4100 void calc_bonds(FILE *fplog, const gmx_multisim_t *ms,
4101                 const t_idef *idef,
4102                 rvec x[], history_t *hist,
4103                 rvec f[], t_forcerec *fr,
4104                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4105                 gmx_enerdata_t *enerd, t_nrnb *nrnb,
4106                 real *lambda,
4107                 const t_mdatoms *md,
4108                 t_fcdata *fcd, int *global_atom_index,
4109                 t_atomtypes *atype, gmx_genborn_t *born,
4110                 int force_flags,
4111                 gmx_bool bPrintSepPot, gmx_large_int_t step)
4112 {
4113     gmx_bool      bCalcEnerVir;
4114     int           i;
4115     real          v, dvdl[efptNR], dvdl_dum[efptNR]; /* The dummy array is to have a place to store the dhdl at other values
4116                                                         of lambda, which will be thrown away in the end*/
4117     const  t_pbc *pbc_null;
4118     char          buf[22];
4119     int           thread;
4120
4121 #ifndef NDEBUG
4122     assert(fr->nthreads == idef->nthreads);
4123 #endif
4124
4125     bCalcEnerVir = (force_flags & (GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY));
4126
4127     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4128     {
4129         dvdl[i] = 0.0;
4130     }
4131     if (fr->bMolPBC)
4132     {
4133         pbc_null = pbc;
4134     }
4135     else
4136     {
4137         pbc_null = NULL;
4138     }
4139     if (bPrintSepPot)
4140     {
4141         fprintf(fplog, "Step %s: bonded V and dVdl for this node\n",
4142                 gmx_step_str(step, buf));
4143     }
4144
4145 #ifdef DEBUG
4146     if (g && debug)
4147     {
4148         p_graph(debug, "Bondage is fun", g);
4149     }
4150 #endif
4151
4152     /* Do pre force calculation stuff which might require communication */
4153     if (idef->il[F_ORIRES].nr)
4154     {
4155         enerd->term[F_ORIRESDEV] =
4156             calc_orires_dev(ms, idef->il[F_ORIRES].nr,
4157                             idef->il[F_ORIRES].iatoms,
4158                             idef->iparams, md, (const rvec*)x,
4159                             pbc_null, fcd, hist);
4160     }
4161     if (idef->il[F_DISRES].nr)
4162     {
4163         calc_disres_R_6(ms, idef->il[F_DISRES].nr,
4164                         idef->il[F_DISRES].iatoms,
4165                         idef->iparams, (const rvec*)x, pbc_null,
4166                         fcd, hist);
4167     }
4168
4169 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
4170     for (thread = 0; thread < fr->nthreads; thread++)
4171     {
4172         int                ftype;
4173         real              *epot, v;
4174         /* thread stuff */
4175         rvec              *ft, *fshift;
4176         real              *dvdlt;
4177         gmx_grppairener_t *grpp;
4178
4179         if (thread == 0)
4180         {
4181             ft     = f;
4182             fshift = fr->fshift;
4183             epot   = enerd->term;
4184             grpp   = &enerd->grpp;
4185             dvdlt  = dvdl;
4186         }
4187         else
4188         {
4189             zero_thread_forces(&fr->f_t[thread], fr->natoms_force,
4190                                fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
4191
4192             ft     = fr->f_t[thread].f;
4193             fshift = fr->f_t[thread].fshift;
4194             epot   = fr->f_t[thread].ener;
4195             grpp   = &fr->f_t[thread].grpp;
4196             dvdlt  = fr->f_t[thread].dvdl;
4197         }
4198         /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded forces */
4199         for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4200         {
4201             if (idef->il[ftype].nr > 0 && ftype_is_bonded_potential(ftype))
4202             {
4203                 v = calc_one_bond(fplog, thread, ftype, idef, x,
4204                                   ft, fshift, fr, pbc_null, g, grpp,
4205                                   nrnb, lambda, dvdlt,
4206                                   md, fcd, bCalcEnerVir,
4207                                   global_atom_index, bPrintSepPot);
4208                 epot[ftype] += v;
4209             }
4210         }
4211     }
4212     if (fr->nthreads > 1)
4213     {
4214         reduce_thread_forces(fr->natoms_force, f, fr->fshift,
4215                              enerd->term, &enerd->grpp, dvdl,
4216                              fr->nthreads, fr->f_t,
4217                              fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift,
4218                              bCalcEnerVir,
4219                              force_flags & GMX_FORCE_DHDL);
4220     }
4221     if (force_flags & GMX_FORCE_DHDL)
4222     {
4223         for (i = 0; i < efptNR; i++)
4224         {
4225             enerd->dvdl_nonlin[i] += dvdl[i];
4226         }
4227     }
4228
4229     /* Copy the sum of violations for the distance restraints from fcd */
4230     if (fcd)
4231     {
4232         enerd->term[F_DISRESVIOL] = fcd->disres.sumviol;
4233
4234     }
4235 }
4236
4237 void calc_bonds_lambda(FILE *fplog,
4238                        const t_idef *idef,
4239                        rvec x[],
4240                        t_forcerec *fr,
4241                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4242                        gmx_grppairener_t *grpp, real *epot, t_nrnb *nrnb,
4243                        real *lambda,
4244                        const t_mdatoms *md,
4245                        t_fcdata *fcd,
4246                        int *global_atom_index)
4247 {
4248     int           i, ftype, nr_nonperturbed, nr;
4249     real          v;
4250     real          dvdl_dum[efptNR];
4251     rvec         *f, *fshift;
4252     const  t_pbc *pbc_null;
4253     t_idef       idef_fe;
4254
4255     if (fr->bMolPBC)
4256     {
4257         pbc_null = pbc;
4258     }
4259     else
4260     {
4261         pbc_null = NULL;
4262     }
4263
4264     /* Copy the whole idef, so we can modify the contents locally */
4265     idef_fe          = *idef;
4266     idef_fe.nthreads = 1;
4267     snew(idef_fe.il_thread_division, F_NRE*(idef_fe.nthreads+1));
4268
4269     /* We already have the forces, so we use temp buffers here */
4270     snew(f, fr->natoms_force);
4271     snew(fshift, SHIFTS);
4272
4273     /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded energies */
4274     for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4275     {
4276         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
4277         {
4278             /* Set the work range of thread 0 to the perturbed bondeds only */
4279             nr_nonperturbed                       = idef->il[ftype].nr_nonperturbed;
4280             nr                                    = idef->il[ftype].nr;
4281             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+0] = nr_nonperturbed;
4282             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+1] = nr;
4283
4284             /* This is only to get the flop count correct */
4285             idef_fe.il[ftype].nr = nr - nr_nonperturbed;
4286
4287             if (nr - nr_nonperturbed > 0)
4288             {
4289                 v = calc_one_bond(fplog, 0, ftype, &idef_fe,
4290                                   x, f, fshift, fr, pbc_null, g,
4291                                   grpp, nrnb, lambda, dvdl_dum,
4292                                   md, fcd, TRUE,
4293                                   global_atom_index, FALSE);
4294                 epot[ftype] += v;
4295             }
4296         }
4297     }
4298
4299     sfree(fshift);
4300     sfree(f);
4301
4302     sfree(idef_fe.il_thread_division);
4303 }