src/gromacs/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  * Copyright (c) 2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  38 #include <config.h>
  39 #endif
  40
  41 #include <math.h>
  42 #include <assert.h>
  43 #include "physics.h"
  44 #include "vec.h"
  45 #include "gromacs/math/utilities.h"
  46 #include "txtdump.h"
  47 #include "bondf.h"
  48 #include "smalloc.h"
  49 #include "pbc.h"
  50 #include "ns.h"
  51 #include "macros.h"
  52 #include "names.h"
  53 #include "gmx_fatal.h"
  54 #include "mshift.h"
  55 #include "main.h"
  56 #include "disre.h"
  57 #include "orires.h"
  58 #include "force.h"
  59 #include "nonbonded.h"
  60
  61 #include "gromacs/simd/simd.h"
  62 #include "gromacs/simd/simd_math.h"
  63 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  64
  65 /* Find a better place for this? */
  66 const int cmap_coeff_matrix[] = {
  67     1, 0, -3,  2, 0, 0,  0,  0, -3,  0,  9, -6,  2,  0, -6,  4,
  68     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  3,  0, -9,  6, -2,  0,  6, -4,
  69     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  9, -6,  0,  0, -6,  4,
  70     0, 0,  3, -2, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -9,  6,  0,  0,  6, -4,
  71     0, 0,  0,  0, 1, 0, -3,  2, -2,  0,  6, -4,  1,  0, -3,  2,
  72     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0, -1,  0,  3, -2,  1,  0, -3,  2,
  73     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  2,  0,  0,  3, -2,
  74     0, 0,  0,  0, 0, 0,  3, -2,  0,  0, -6,  4,  0,  0,  3, -2,
  75     0, 1, -2,  1, 0, 0,  0,  0,  0, -3,  6, -3,  0,  2, -4,  2,
  76     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  3, -6,  3,  0, -2,  4, -2,
  77     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  3,  0,  0,  2, -2,
  78     0, 0, -1,  1, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  3, -3,  0,  0, -2,  2,
  79     0, 0,  0,  0, 0, 1, -2,  1,  0, -2,  4, -2,  0,  1, -2,  1,
  80     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0, -1,  2, -1,  0,  1, -2,  1,
  81     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  1, -1,  0,  0, -1,  1,
  82     0, 0,  0,  0, 0, 0, -1,  1,  0,  0,  2, -2,  0,  0, -1,  1
  83 };
  84
  85
  86
  87 int glatnr(int *global_atom_index, int i)
  88 {
  89     int atnr;
  90
  91     if (global_atom_index == NULL)
  92     {
  93         atnr = i + 1;
  94     }
  95     else
  96     {
  97         atnr = global_atom_index[i] + 1;
  98     }
  99
 100     return atnr;
 101 }
 102
 103 static int pbc_rvec_sub(const t_pbc *pbc, const rvec xi, const rvec xj, rvec dx)
 104 {
 105     if (pbc)
 106     {
 107         return pbc_dx_aiuc(pbc, xi, xj, dx);
 108     }
 109     else
 110     {
 111         rvec_sub(xi, xj, dx);
 112         return CENTRAL;
 113     }
 114 }
 115
 116 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
 117
 118 /* SIMD PBC data structure, containing 1/boxdiag and the box vectors */
 119 typedef struct {
 120     gmx_simd_real_t inv_bzz;
 121     gmx_simd_real_t inv_byy;
 122     gmx_simd_real_t inv_bxx;
 123     gmx_simd_real_t bzx;
 124     gmx_simd_real_t bzy;
 125     gmx_simd_real_t bzz;
 126     gmx_simd_real_t byx;
 127     gmx_simd_real_t byy;
 128     gmx_simd_real_t bxx;
 129 } pbc_simd_t;
 130
 131 /* Set the SIMD pbc data from a normal t_pbc struct */
 132 static void set_pbc_simd(const t_pbc *pbc, pbc_simd_t *pbc_simd)
 133 {
 134     rvec inv_bdiag;
 135     int  d;
 136
 137     /* Setting inv_bdiag to 0 effectively turns off PBC */
 138     clear_rvec(inv_bdiag);
 139     if (pbc != NULL)
 140     {
 141         for (d = 0; d < pbc->ndim_ePBC; d++)
 142         {
 143             inv_bdiag[d] = 1.0/pbc->box[d][d];
 144         }
 145     }
 146
 147     pbc_simd->inv_bzz = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[ZZ]);
 148     pbc_simd->inv_byy = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[YY]);
 149     pbc_simd->inv_bxx = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[XX]);
 150
 151     if (pbc != NULL)
 152     {
 153         pbc_simd->bzx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][XX]);
 154         pbc_simd->bzy = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][YY]);
 155         pbc_simd->bzz = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][ZZ]);
 156         pbc_simd->byx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[YY][XX]);
 157         pbc_simd->byy = gmx_simd_set1_r(pbc->box[YY][YY]);
 158         pbc_simd->bxx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[XX][XX]);
 159     }
 160     else
 161     {
 162         pbc_simd->bzx = gmx_simd_setzero_r();
 163         pbc_simd->bzy = gmx_simd_setzero_r();
 164         pbc_simd->bzz = gmx_simd_setzero_r();
 165         pbc_simd->byx = gmx_simd_setzero_r();
 166         pbc_simd->byy = gmx_simd_setzero_r();
 167         pbc_simd->bxx = gmx_simd_setzero_r();
 168     }
 169 }
 170
 171 /* Correct distance vector *dx,*dy,*dz for PBC using SIMD */
 172 static gmx_inline void
 173 pbc_dx_simd(gmx_simd_real_t *dx, gmx_simd_real_t *dy, gmx_simd_real_t *dz,
 174             const pbc_simd_t *pbc)
 175 {
 176     gmx_simd_real_t sh;
 177
 178     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dz, pbc->inv_bzz));
 179     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzx, *dx);
 180     *dy = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzy, *dy);
 181     *dz = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzz, *dz);
 182
 183     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dy, pbc->inv_byy));
 184     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->byx, *dx);
 185     *dy = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->byy, *dy);
 186
 187     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dx, pbc->inv_bxx));
 188     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bxx, *dx);
 189 }
 190
 191 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
 192
 193 /*
 194  * Morse potential bond by Frank Everdij
 195  *
 196  * Three parameters needed:
 197  *
 198  * b0 = equilibrium distance in nm
 199  * be = beta in nm^-1 (actually, it's nu_e*Sqrt(2*pi*pi*mu/D_e))
 200  * cb = well depth in kJ/mol
 201  *
 202  * Note: the potential is referenced to be +cb at infinite separation
 203  *       and zero at the equilibrium distance!
 204  */
 205
 206 real morse_bonds(int nbonds,
 207                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 208                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 209                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 210                  real lambda, real *dvdlambda,
 211                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 212                  int gmx_unused *global_atom_index)
 213 {
 214     const real one = 1.0;
 215     const real two = 2.0;
 216     real       dr, dr2, temp, omtemp, cbomtemp, fbond, vbond, fij, vtot;
 217     real       b0, be, cb, b0A, beA, cbA, b0B, beB, cbB, L1;
 218     rvec       dx;
 219     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 220     ivec       dt;
 221
 222     vtot = 0.0;
 223     for (i = 0; (i < nbonds); )
 224     {
 225         type = forceatoms[i++];
 226         ai   = forceatoms[i++];
 227         aj   = forceatoms[i++];
 228
 229         b0A   = forceparams[type].morse.b0A;
 230         beA   = forceparams[type].morse.betaA;
 231         cbA   = forceparams[type].morse.cbA;
 232
 233         b0B   = forceparams[type].morse.b0B;
 234         beB   = forceparams[type].morse.betaB;
 235         cbB   = forceparams[type].morse.cbB;
 236
 237         L1 = one-lambda;                            /* 1 */
 238         b0 = L1*b0A + lambda*b0B;                   /* 3 */
 239         be = L1*beA + lambda*beB;                   /* 3 */
 240         cb = L1*cbA + lambda*cbB;                   /* 3 */
 241
 242         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3          */
 243         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5          */
 244         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10          */
 245         temp = exp(-be*(dr-b0));                    /*  12          */
 246
 247         if (temp == one)
 248         {
 249             /* bonds are constrainted. This may _not_ include bond constraints if they are lambda dependent */
 250             *dvdlambda += cbB-cbA;
 251             continue;
 252         }
 253
 254         omtemp    = one-temp;                                                                                        /*   1          */
 255         cbomtemp  = cb*omtemp;                                                                                       /*   1          */
 256         vbond     = cbomtemp*omtemp;                                                                                 /*   1          */
 257         fbond     = -two*be*temp*cbomtemp*gmx_invsqrt(dr2);                                                          /*   9          */
 258         vtot     += vbond;                                                                                           /*   1          */
 259
 260         *dvdlambda += (cbB - cbA) * omtemp * omtemp - (2-2*omtemp)*omtemp * cb * ((b0B-b0A)*be - (beB-beA)*(dr-b0)); /* 15 */
 261
 262         if (g)
 263         {
 264             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 265             ki = IVEC2IS(dt);
 266         }
 267
 268         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 269         {
 270             fij                 = fbond*dx[m];
 271             f[ai][m]           += fij;
 272             f[aj][m]           -= fij;
 273             fshift[ki][m]      += fij;
 274             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 275         }
 276     }                                         /*  83 TOTAL    */
 277     return vtot;
 278 }
 279
 280 real cubic_bonds(int nbonds,
 281                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 282                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 283                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 284                  real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 285                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 286                  int gmx_unused *global_atom_index)
 287 {
 288     const real three = 3.0;
 289     const real two   = 2.0;
 290     real       kb, b0, kcub;
 291     real       dr, dr2, dist, kdist, kdist2, fbond, vbond, fij, vtot;
 292     rvec       dx;
 293     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 294     ivec       dt;
 295
 296     vtot = 0.0;
 297     for (i = 0; (i < nbonds); )
 298     {
 299         type = forceatoms[i++];
 300         ai   = forceatoms[i++];
 301         aj   = forceatoms[i++];
 302
 303         b0   = forceparams[type].cubic.b0;
 304         kb   = forceparams[type].cubic.kb;
 305         kcub = forceparams[type].cubic.kcub;
 306
 307         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 308         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 309
 310         if (dr2 == 0.0)
 311         {
 312             continue;
 313         }
 314
 315         dr         = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                  /*  10          */
 316         dist       = dr-b0;
 317         kdist      = kb*dist;
 318         kdist2     = kdist*dist;
 319
 320         vbond      = kdist2 + kcub*kdist2*dist;
 321         fbond      = -(two*kdist + three*kdist2*kcub)/dr;
 322
 323         vtot      += vbond;   /* 21 */
 324
 325         if (g)
 326         {
 327             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 328             ki = IVEC2IS(dt);
 329         }
 330         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 331         {
 332             fij                 = fbond*dx[m];
 333             f[ai][m]           += fij;
 334             f[aj][m]           -= fij;
 335             fshift[ki][m]      += fij;
 336             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 337         }
 338     }                                         /*  54 TOTAL    */
 339     return vtot;
 340 }
 341
 342 real FENE_bonds(int nbonds,
 343                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 344                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 345                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 346                 real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 347                 const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 348                 int *global_atom_index)
 349 {
 350     const real half = 0.5;
 351     const real one  = 1.0;
 352     real       bm, kb;
 353     real       dr, dr2, bm2, omdr2obm2, fbond, vbond, fij, vtot;
 354     rvec       dx;
 355     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 356     ivec       dt;
 357
 358     vtot = 0.0;
 359     for (i = 0; (i < nbonds); )
 360     {
 361         type = forceatoms[i++];
 362         ai   = forceatoms[i++];
 363         aj   = forceatoms[i++];
 364
 365         bm   = forceparams[type].fene.bm;
 366         kb   = forceparams[type].fene.kb;
 367
 368         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 369         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 370
 371         if (dr2 == 0.0)
 372         {
 373             continue;
 374         }
 375
 376         bm2 = bm*bm;
 377
 378         if (dr2 >= bm2)
 379         {
 380             gmx_fatal(FARGS,
 381                       "r^2 (%f) >= bm^2 (%f) in FENE bond between atoms %d and %d",
 382                       dr2, bm2,
 383                       glatnr(global_atom_index, ai),
 384                       glatnr(global_atom_index, aj));
 385         }
 386
 387         omdr2obm2  = one - dr2/bm2;
 388
 389         vbond      = -half*kb*bm2*log(omdr2obm2);
 390         fbond      = -kb/omdr2obm2;
 391
 392         vtot      += vbond;   /* 35 */
 393
 394         if (g)
 395         {
 396             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 397             ki = IVEC2IS(dt);
 398         }
 399         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 400         {
 401             fij                 = fbond*dx[m];
 402             f[ai][m]           += fij;
 403             f[aj][m]           -= fij;
 404             fshift[ki][m]      += fij;
 405             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 406         }
 407     }                                         /*  58 TOTAL    */
 408     return vtot;
 409 }
 410
 411 real harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
 412               real *V, real *F)
 413 {
 414     const real half = 0.5;
 415     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
 416     real       v, f, dvdlambda;
 417
 418     L1    = 1.0-lambda;
 419     kk    = L1*kA+lambda*kB;
 420     x0    = L1*xA+lambda*xB;
 421
 422     dx    = x-x0;
 423     dx2   = dx*dx;
 424
 425     f          = -kk*dx;
 426     v          = half*kk*dx2;
 427     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
 428
 429     *F    = f;
 430     *V    = v;
 431
 432     return dvdlambda;
 433
 434     /* That was 19 flops */
 435 }
 436
 437
 438 real bonds(int nbonds,
 439            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 440            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 441            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 442            real lambda, real *dvdlambda,
 443            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 444            int gmx_unused *global_atom_index)
 445 {
 446     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 447     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 448     rvec dx;
 449     ivec dt;
 450
 451     vtot = 0.0;
 452     for (i = 0; (i < nbonds); )
 453     {
 454         type = forceatoms[i++];
 455         ai   = forceatoms[i++];
 456         aj   = forceatoms[i++];
 457
 458         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 459         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 460         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 461
 462         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 463                                forceparams[type].harmonic.krB,
 464                                forceparams[type].harmonic.rA,
 465                                forceparams[type].harmonic.rB,
 466                                dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 467
 468         if (dr2 == 0.0)
 469         {
 470             continue;
 471         }
 472
 473
 474         vtot  += vbond;            /* 1*/
 475         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 476 #ifdef DEBUG
 477         if (debug)
 478         {
 479             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 480                     dr, vbond, fbond);
 481         }
 482 #endif
 483         if (g)
 484         {
 485             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 486             ki = IVEC2IS(dt);
 487         }
 488         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 489         {
 490             fij                 = fbond*dx[m];
 491             f[ai][m]           += fij;
 492             f[aj][m]           -= fij;
 493             fshift[ki][m]      += fij;
 494             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 495         }
 496     }               /* 59 TOTAL */
 497     return vtot;
 498 }
 499
 500 real restraint_bonds(int nbonds,
 501                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 502                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 503                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 504                      real lambda, real *dvdlambda,
 505                      const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 506                      int gmx_unused *global_atom_index)
 507 {
 508     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 509     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 510     real L1;
 511     real low, dlow, up1, dup1, up2, dup2, k, dk;
 512     real drh, drh2;
 513     rvec dx;
 514     ivec dt;
 515
 516     L1   = 1.0 - lambda;
 517
 518     vtot = 0.0;
 519     for (i = 0; (i < nbonds); )
 520     {
 521         type = forceatoms[i++];
 522         ai   = forceatoms[i++];
 523         aj   = forceatoms[i++];
 524
 525         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 526         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 527         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 528
 529         low  = L1*forceparams[type].restraint.lowA + lambda*forceparams[type].restraint.lowB;
 530         dlow =   -forceparams[type].restraint.lowA +        forceparams[type].restraint.lowB;
 531         up1  = L1*forceparams[type].restraint.up1A + lambda*forceparams[type].restraint.up1B;
 532         dup1 =   -forceparams[type].restraint.up1A +        forceparams[type].restraint.up1B;
 533         up2  = L1*forceparams[type].restraint.up2A + lambda*forceparams[type].restraint.up2B;
 534         dup2 =   -forceparams[type].restraint.up2A +        forceparams[type].restraint.up2B;
 535         k    = L1*forceparams[type].restraint.kA   + lambda*forceparams[type].restraint.kB;
 536         dk   =   -forceparams[type].restraint.kA   +        forceparams[type].restraint.kB;
 537         /* 24 */
 538
 539         if (dr < low)
 540         {
 541             drh         = dr - low;
 542             drh2        = drh*drh;
 543             vbond       = 0.5*k*drh2;
 544             fbond       = -k*drh;
 545             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dlow*drh;
 546         } /* 11 */
 547         else if (dr <= up1)
 548         {
 549             vbond = 0;
 550             fbond = 0;
 551         }
 552         else if (dr <= up2)
 553         {
 554             drh         = dr - up1;
 555             drh2        = drh*drh;
 556             vbond       = 0.5*k*drh2;
 557             fbond       = -k*drh;
 558             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dup1*drh;
 559         } /* 11 */
 560         else
 561         {
 562             drh         = dr - up2;
 563             vbond       = k*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh);
 564             fbond       = -k*(up2 - up1);
 565             *dvdlambda += dk*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh)
 566                 + k*(dup2 - dup1)*(up2 - up1 + drh)
 567                 - k*(up2 - up1)*dup2;
 568         }
 569
 570         if (dr2 == 0.0)
 571         {
 572             continue;
 573         }
 574
 575         vtot  += vbond;            /* 1*/
 576         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 577 #ifdef DEBUG
 578         if (debug)
 579         {
 580             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 581                     dr, vbond, fbond);
 582         }
 583 #endif
 584         if (g)
 585         {
 586             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 587             ki = IVEC2IS(dt);
 588         }
 589         for (m = 0; (m < DIM); m++)             /*  15          */
 590         {
 591             fij                 = fbond*dx[m];
 592             f[ai][m]           += fij;
 593             f[aj][m]           -= fij;
 594             fshift[ki][m]      += fij;
 595             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 596         }
 597     }                   /* 59 TOTAL     */
 598
 599     return vtot;
 600 }
 601
 602 real polarize(int nbonds,
 603               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 604               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 605               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 606               real lambda, real *dvdlambda,
 607               const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 608               int gmx_unused *global_atom_index)
 609 {
 610     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 611     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh;
 612     rvec dx;
 613     ivec dt;
 614
 615     vtot = 0.0;
 616     for (i = 0; (i < nbonds); )
 617     {
 618         type = forceatoms[i++];
 619         ai   = forceatoms[i++];
 620         aj   = forceatoms[i++];
 621         ksh  = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].polarize.alpha;
 622         if (debug)
 623         {
 624             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 625         }
 626
 627         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 628         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 629         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 630
 631         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 632
 633         if (dr2 == 0.0)
 634         {
 635             continue;
 636         }
 637
 638         vtot  += vbond;            /* 1*/
 639         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 640
 641         if (g)
 642         {
 643             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 644             ki = IVEC2IS(dt);
 645         }
 646         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 647         {
 648             fij                 = fbond*dx[m];
 649             f[ai][m]           += fij;
 650             f[aj][m]           -= fij;
 651             fshift[ki][m]      += fij;
 652             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 653         }
 654     }               /* 59 TOTAL */
 655     return vtot;
 656 }
 657
 658 real anharm_polarize(int nbonds,
 659                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 660                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 661                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 662                      real lambda, real *dvdlambda,
 663                      const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 664                      int gmx_unused *global_atom_index)
 665 {
 666     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 667     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh, khyp, drcut, ddr, ddr3;
 668     rvec dx;
 669     ivec dt;
 670
 671     vtot = 0.0;
 672     for (i = 0; (i < nbonds); )
 673     {
 674         type  = forceatoms[i++];
 675         ai    = forceatoms[i++];
 676         aj    = forceatoms[i++];
 677         ksh   = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].anharm_polarize.alpha; /* 7*/
 678         khyp  = forceparams[type].anharm_polarize.khyp;
 679         drcut = forceparams[type].anharm_polarize.drcut;
 680         if (debug)
 681         {
 682             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 683         }
 684
 685         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 686         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 687         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 688
 689         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 690
 691         if (dr2 == 0.0)
 692         {
 693             continue;
 694         }
 695
 696         if (dr > drcut)
 697         {
 698             ddr    = dr-drcut;
 699             ddr3   = ddr*ddr*ddr;
 700             vbond += khyp*ddr*ddr3;
 701             fbond -= 4*khyp*ddr3;
 702         }
 703         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 704         vtot  += vbond;            /* 1*/
 705
 706         if (g)
 707         {
 708             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 709             ki = IVEC2IS(dt);
 710         }
 711         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 712         {
 713             fij                 = fbond*dx[m];
 714             f[ai][m]           += fij;
 715             f[aj][m]           -= fij;
 716             fshift[ki][m]      += fij;
 717             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 718         }
 719     }               /* 72 TOTAL */
 720     return vtot;
 721 }
 722
 723 real water_pol(int nbonds,
 724                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 725                const rvec x[], rvec f[], rvec gmx_unused fshift[],
 726                const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
 727                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 728                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 729                int gmx_unused *global_atom_index)
 730 {
 731     /* This routine implements anisotropic polarizibility for water, through
 732      * a shell connected to a dummy with spring constant that differ in the
 733      * three spatial dimensions in the molecular frame.
 734      */
 735     int  i, m, aO, aH1, aH2, aD, aS, type, type0;
 736     rvec dOH1, dOH2, dHH, dOD, dDS, nW, kk, dx, kdx, proj;
 737 #ifdef DEBUG
 738     rvec df;
 739 #endif
 740     real vtot, fij, r_HH, r_OD, r_nW, tx, ty, tz, qS;
 741
 742     vtot = 0.0;
 743     if (nbonds > 0)
 744     {
 745         type0  = forceatoms[0];
 746         aS     = forceatoms[5];
 747         qS     = md->chargeA[aS];
 748         kk[XX] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_x;
 749         kk[YY] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_y;
 750         kk[ZZ] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_z;
 751         r_HH   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rHH;
 752         r_OD   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rOD;
 753         if (debug)
 754         {
 755             fprintf(debug, "WPOL: qS  = %10.5f aS = %5d\n", qS, aS);
 756             fprintf(debug, "WPOL: kk  = %10.3f        %10.3f        %10.3f\n",
 757                     kk[XX], kk[YY], kk[ZZ]);
 758             fprintf(debug, "WPOL: rOH = %10.3f  rHH = %10.3f  rOD = %10.3f\n",
 759                     forceparams[type0].wpol.rOH,
 760                     forceparams[type0].wpol.rHH,
 761                     forceparams[type0].wpol.rOD);
 762         }
 763         for (i = 0; (i < nbonds); i += 6)
 764         {
 765             type = forceatoms[i];
 766             if (type != type0)
 767             {
 768                 gmx_fatal(FARGS, "Sorry, type = %d, type0 = %d, file = %s, line = %d",
 769                           type, type0, __FILE__, __LINE__);
 770             }
 771             aO   = forceatoms[i+1];
 772             aH1  = forceatoms[i+2];
 773             aH2  = forceatoms[i+3];
 774             aD   = forceatoms[i+4];
 775             aS   = forceatoms[i+5];
 776
 777             /* Compute vectors describing the water frame */
 778             rvec_sub(x[aH1], x[aO], dOH1);
 779             rvec_sub(x[aH2], x[aO], dOH2);
 780             rvec_sub(x[aH2], x[aH1], dHH);
 781             rvec_sub(x[aD], x[aO], dOD);
 782             rvec_sub(x[aS], x[aD], dDS);
 783             cprod(dOH1, dOH2, nW);
 784
 785             /* Compute inverse length of normal vector
 786              * (this one could be precomputed, but I'm too lazy now)
 787              */
 788             r_nW = gmx_invsqrt(iprod(nW, nW));
 789             /* This is for precision, but does not make a big difference,
 790              * it can go later.
 791              */
 792             r_OD = gmx_invsqrt(iprod(dOD, dOD));
 793
 794             /* Normalize the vectors in the water frame */
 795             svmul(r_nW, nW, nW);
 796             svmul(r_HH, dHH, dHH);
 797             svmul(r_OD, dOD, dOD);
 798
 799             /* Compute displacement of shell along components of the vector */
 800             dx[ZZ] = iprod(dDS, dOD);
 801             /* Compute projection on the XY plane: dDS - dx[ZZ]*dOD */
 802             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 803             {
 804                 proj[m] = dDS[m]-dx[ZZ]*dOD[m];
 805             }
 806
 807             /*dx[XX] = iprod(dDS,nW);
 808                dx[YY] = iprod(dDS,dHH);*/
 809             dx[XX] = iprod(proj, nW);
 810             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 811             {
 812                 proj[m] -= dx[XX]*nW[m];
 813             }
 814             dx[YY] = iprod(proj, dHH);
 815             /*#define DEBUG*/
 816 #ifdef DEBUG
 817             if (debug)
 818             {
 819                 fprintf(debug, "WPOL: dx2=%10g  dy2=%10g  dz2=%10g  sum=%10g  dDS^2=%10g\n",
 820                         sqr(dx[XX]), sqr(dx[YY]), sqr(dx[ZZ]), iprod(dx, dx), iprod(dDS, dDS));
 821                 fprintf(debug, "WPOL: dHH=(%10g,%10g,%10g)\n", dHH[XX], dHH[YY], dHH[ZZ]);
 822                 fprintf(debug, "WPOL: dOD=(%10g,%10g,%10g), 1/r_OD = %10g\n",
 823                         dOD[XX], dOD[YY], dOD[ZZ], 1/r_OD);
 824                 fprintf(debug, "WPOL: nW =(%10g,%10g,%10g), 1/r_nW = %10g\n",
 825                         nW[XX], nW[YY], nW[ZZ], 1/r_nW);
 826                 fprintf(debug, "WPOL: dx  =%10g, dy  =%10g, dz  =%10g\n",
 827                         dx[XX], dx[YY], dx[ZZ]);
 828                 fprintf(debug, "WPOL: dDSx=%10g, dDSy=%10g, dDSz=%10g\n",
 829                         dDS[XX], dDS[YY], dDS[ZZ]);
 830             }
 831 #endif
 832             /* Now compute the forces and energy */
 833             kdx[XX] = kk[XX]*dx[XX];
 834             kdx[YY] = kk[YY]*dx[YY];
 835             kdx[ZZ] = kk[ZZ]*dx[ZZ];
 836             vtot   += iprod(dx, kdx);
 837             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 838             {
 839                 /* This is a tensor operation but written out for speed */
 840                 tx        =  nW[m]*kdx[XX];
 841                 ty        = dHH[m]*kdx[YY];
 842                 tz        = dOD[m]*kdx[ZZ];
 843                 fij       = -tx-ty-tz;
 844 #ifdef DEBUG
 845                 df[m] = fij;
 846 #endif
 847                 f[aS][m] += fij;
 848                 f[aD][m] -= fij;
 849             }
 850 #ifdef DEBUG
 851             if (debug)
 852             {
 853                 fprintf(debug, "WPOL: vwpol=%g\n", 0.5*iprod(dx, kdx));
 854                 fprintf(debug, "WPOL: df = (%10g, %10g, %10g)\n", df[XX], df[YY], df[ZZ]);
 855             }
 856 #endif
 857         }
 858     }
 859     return 0.5*vtot;
 860 }
 861
 862 static real do_1_thole(const rvec xi, const rvec xj, rvec fi, rvec fj,
 863                        const t_pbc *pbc, real qq,
 864                        rvec fshift[], real afac)
 865 {
 866     rvec r12;
 867     real r12sq, r12_1, r12n, r12bar, v0, v1, fscal, ebar, fff;
 868     int  m, t;
 869
 870     t      = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r12);                      /*  3 */
 871
 872     r12sq  = iprod(r12, r12);                                     /*  5 */
 873     r12_1  = gmx_invsqrt(r12sq);                                  /*  5 */
 874     r12bar = afac/r12_1;                                          /*  5 */
 875     v0     = qq*ONE_4PI_EPS0*r12_1;                               /*  2 */
 876     ebar   = exp(-r12bar);                                        /*  5 */
 877     v1     = (1-(1+0.5*r12bar)*ebar);                             /*  4 */
 878     fscal  = ((v0*r12_1)*v1 - v0*0.5*afac*ebar*(r12bar+1))*r12_1; /* 9 */
 879     if (debug)
 880     {
 881         fprintf(debug, "THOLE: v0 = %.3f v1 = %.3f r12= % .3f r12bar = %.3f fscal = %.3f  ebar = %.3f\n", v0, v1, 1/r12_1, r12bar, fscal, ebar);
 882     }
 883
 884     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 885     {
 886         fff                 = fscal*r12[m];
 887         fi[m]              += fff;
 888         fj[m]              -= fff;
 889         fshift[t][m]       += fff;
 890         fshift[CENTRAL][m] -= fff;
 891     }             /* 15 */
 892
 893     return v0*v1; /* 1 */
 894     /* 54 */
 895 }
 896
 897 real thole_pol(int nbonds,
 898                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 899                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 900                const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
 901                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 902                const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 903                int gmx_unused *global_atom_index)
 904 {
 905     /* Interaction between two pairs of particles with opposite charge */
 906     int  i, type, a1, da1, a2, da2;
 907     real q1, q2, qq, a, al1, al2, afac;
 908     real V = 0;
 909
 910     for (i = 0; (i < nbonds); )
 911     {
 912         type  = forceatoms[i++];
 913         a1    = forceatoms[i++];
 914         da1   = forceatoms[i++];
 915         a2    = forceatoms[i++];
 916         da2   = forceatoms[i++];
 917         q1    = md->chargeA[da1];
 918         q2    = md->chargeA[da2];
 919         a     = forceparams[type].thole.a;
 920         al1   = forceparams[type].thole.alpha1;
 921         al2   = forceparams[type].thole.alpha2;
 922         qq    = q1*q2;
 923         afac  = a*pow(al1*al2, -1.0/6.0);
 924         V    += do_1_thole(x[a1], x[a2], f[a1], f[a2], pbc, qq, fshift, afac);
 925         V    += do_1_thole(x[da1], x[a2], f[da1], f[a2], pbc, -qq, fshift, afac);
 926         V    += do_1_thole(x[a1], x[da2], f[a1], f[da2], pbc, -qq, fshift, afac);
 927         V    += do_1_thole(x[da1], x[da2], f[da1], f[da2], pbc, qq, fshift, afac);
 928     }
 929     /* 290 flops */
 930     return V;
 931 }
 932
 933 real bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
 934                 rvec r_ij, rvec r_kj, real *costh,
 935                 int *t1, int *t2)
 936 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
 937 {
 938     /* 41 FLOPS */
 939     real th;
 940
 941     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
 942     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
 943
 944     *costh = cos_angle(r_ij, r_kj);        /* 25                */
 945     th     = acos(*costh);                 /* 10                */
 946     /* 41 TOTAL */
 947     return th;
 948 }
 949
 950 real angles(int nbonds,
 951             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 952             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 953             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 954             real lambda, real *dvdlambda,
 955             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 956             int gmx_unused *global_atom_index)
 957 {
 958     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type;
 959     rvec r_ij, r_kj;
 960     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
 961     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
 962
 963     vtot = 0.0;
 964     for (i = 0; i < nbonds; )
 965     {
 966         type = forceatoms[i++];
 967         ai   = forceatoms[i++];
 968         aj   = forceatoms[i++];
 969         ak   = forceatoms[i++];
 970
 971         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
 972                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);  /*  41          */
 973
 974         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 975                                forceparams[type].harmonic.krB,
 976                                forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD,
 977                                forceparams[type].harmonic.rB*DEG2RAD,
 978                                theta, lambda, &va, &dVdt);  /*  21  */
 979         vtot += va;
 980
 981         cos_theta2 = sqr(cos_theta);
 982         if (cos_theta2 < 1)
 983         {
 984             int  m;
 985             real st, sth;
 986             real cik, cii, ckk;
 987             real nrkj2, nrij2;
 988             real nrkj_1, nrij_1;
 989             rvec f_i, f_j, f_k;
 990
 991             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
 992             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
 993 #ifdef DEBUG
 994             if (debug)
 995             {
 996                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
 997                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
 998             }
 999 #endif
1000             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);      /*   5              */
1001             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);      /*   5              */
1002
1003             nrij_1 = gmx_invsqrt(nrij2);    /*  10              */
1004             nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2);    /*  10              */
1005
1006             cik = st*nrij_1*nrkj_1;         /*   2              */
1007             cii = sth*nrij_1*nrij_1;        /*   2              */
1008             ckk = sth*nrkj_1*nrkj_1;        /*   2              */
1009
1010             for (m = 0; m < DIM; m++)
1011             {           /*  39          */
1012                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m] - cii*r_ij[m]);
1013                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m] - ckk*r_kj[m]);
1014                 f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
1015                 f[ai][m] += f_i[m];
1016                 f[aj][m] += f_j[m];
1017                 f[ak][m] += f_k[m];
1018             }
1019             if (g != NULL)
1020             {
1021                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1022
1023                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1024                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1025                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1026                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1027             }
1028             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1029             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1030             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1031         }                                           /* 161 TOTAL        */
1032     }
1033
1034     return vtot;
1035 }
1036
1037 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
1038
1039 /* As angles, but using SIMD to calculate many dihedrals at once.
1040  * This routines does not calculate energies and shift forces.
1041  */
1042 static gmx_inline void
1043 angles_noener_simd(int nbonds,
1044                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1045                    const rvec x[], rvec f[],
1046                    const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1047                    real gmx_unused lambda,
1048                    const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1049                    int gmx_unused *global_atom_index)
1050 {
1051     const int            nfa1 = 4;
1052     int                  i, iu, s, m;
1053     int                  type, ai[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], aj[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1054     int                  ak[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1055     real                 coeff_array[2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *coeff;
1056     real                 dr_array[2*DIM*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *dr;
1057     real                 f_buf_array[6*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *f_buf;
1058     gmx_simd_real_t      k_S, theta0_S;
1059     gmx_simd_real_t      rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1060     gmx_simd_real_t      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1061     gmx_simd_real_t      one_S;
1062     gmx_simd_real_t      min_one_plus_eps_S;
1063     gmx_simd_real_t      rij_rkj_S;
1064     gmx_simd_real_t      nrij2_S, nrij_1_S;
1065     gmx_simd_real_t      nrkj2_S, nrkj_1_S;
1066     gmx_simd_real_t      cos_S, invsin_S;
1067     gmx_simd_real_t      theta_S;
1068     gmx_simd_real_t      st_S, sth_S;
1069     gmx_simd_real_t      cik_S, cii_S, ckk_S;
1070     gmx_simd_real_t      f_ix_S, f_iy_S, f_iz_S;
1071     gmx_simd_real_t      f_kx_S, f_ky_S, f_kz_S;
1072     pbc_simd_t           pbc_simd;
1073
1074     /* Ensure register memory alignment */
1075     coeff = gmx_simd_align_r(coeff_array);
1076     dr    = gmx_simd_align_r(dr_array);
1077     f_buf = gmx_simd_align_r(f_buf_array);
1078
1079     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
1080
1081     one_S = gmx_simd_set1_r(1.0);
1082
1083     /* The smallest number > -1 */
1084     min_one_plus_eps_S = gmx_simd_set1_r(-1.0 + 2*GMX_REAL_EPS);
1085
1086     /* nbonds is the number of angles times nfa1, here we step GMX_SIMD_REAL_WIDTH angles */
1087     for (i = 0; (i < nbonds); i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH*nfa1)
1088     {
1089         /* Collect atoms for GMX_SIMD_REAL_WIDTH angles.
1090          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
1091          */
1092         iu = i;
1093         for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
1094         {
1095             type  = forceatoms[iu];
1096             ai[s] = forceatoms[iu+1];
1097             aj[s] = forceatoms[iu+2];
1098             ak[s] = forceatoms[iu+3];
1099
1100             coeff[s]                     = forceparams[type].harmonic.krA;
1101             coeff[GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s] = forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD;
1102
1103             /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1104              * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1105              */
1106             /* Store the non PBC corrected distances packed and aligned */
1107             for (m = 0; m < DIM; m++)
1108             {
1109                 dr[s +      m *GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1110                 dr[s + (DIM+m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1111             }
1112
1113             /* At the end fill the arrays with identical entries */
1114             if (iu + nfa1 < nbonds)
1115             {
1116                 iu += nfa1;
1117             }
1118         }
1119
1120         k_S       = gmx_simd_load_r(coeff);
1121         theta0_S  = gmx_simd_load_r(coeff+GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1122
1123         rijx_S    = gmx_simd_load_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1124         rijy_S    = gmx_simd_load_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1125         rijz_S    = gmx_simd_load_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1126         rkjx_S    = gmx_simd_load_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1127         rkjy_S    = gmx_simd_load_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1128         rkjz_S    = gmx_simd_load_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1129
1130         pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, &pbc_simd);
1131         pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, &pbc_simd);
1132
1133         rij_rkj_S = gmx_simd_iprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1134                                      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1135
1136         nrij2_S   = gmx_simd_norm2_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S);
1137         nrkj2_S   = gmx_simd_norm2_r(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1138
1139         nrij_1_S  = gmx_simd_invsqrt_r(nrij2_S);
1140         nrkj_1_S  = gmx_simd_invsqrt_r(nrkj2_S);
1141
1142         cos_S     = gmx_simd_mul_r(rij_rkj_S, gmx_simd_mul_r(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1143
1144         /* To allow for 180 degrees, we take the max of cos and -1 + 1bit,
1145          * so we can safely get the 1/sin from 1/sqrt(1 - cos^2).
1146          * This also ensures that rounding errors would cause the argument
1147          * of gmx_simd_acos_r to be < -1.
1148          * Note that we do not take precautions for cos(0)=1, so the outer
1149          * atoms in an angle should not be on top of each other.
1150          */
1151         cos_S     = gmx_simd_max_r(cos_S, min_one_plus_eps_S);
1152
1153         theta_S   = gmx_simd_acos_r(cos_S);
1154
1155         invsin_S  = gmx_simd_invsqrt_r(gmx_simd_sub_r(one_S, gmx_simd_mul_r(cos_S, cos_S)));
1156
1157         st_S      = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_mul_r(k_S, gmx_simd_sub_r(theta0_S, theta_S)),
1158                                    invsin_S);
1159         sth_S     = gmx_simd_mul_r(st_S, cos_S);
1160
1161         cik_S     = gmx_simd_mul_r(st_S,  gmx_simd_mul_r(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1162         cii_S     = gmx_simd_mul_r(sth_S, gmx_simd_mul_r(nrij_1_S, nrij_1_S));
1163         ckk_S     = gmx_simd_mul_r(sth_S, gmx_simd_mul_r(nrkj_1_S, nrkj_1_S));
1164
1165         f_ix_S    = gmx_simd_mul_r(cii_S, rijx_S);
1166         f_ix_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rkjx_S, f_ix_S);
1167         f_iy_S    = gmx_simd_mul_r(cii_S, rijy_S);
1168         f_iy_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rkjy_S, f_iy_S);
1169         f_iz_S    = gmx_simd_mul_r(cii_S, rijz_S);
1170         f_iz_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rkjz_S, f_iz_S);
1171         f_kx_S    = gmx_simd_mul_r(ckk_S, rkjx_S);
1172         f_kx_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rijx_S, f_kx_S);
1173         f_ky_S    = gmx_simd_mul_r(ckk_S, rkjy_S);
1174         f_ky_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rijy_S, f_ky_S);
1175         f_kz_S    = gmx_simd_mul_r(ckk_S, rkjz_S);
1176         f_kz_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rijz_S, f_kz_S);
1177
1178         gmx_simd_store_r(f_buf + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_ix_S);
1179         gmx_simd_store_r(f_buf + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_iy_S);
1180         gmx_simd_store_r(f_buf + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_iz_S);
1181         gmx_simd_store_r(f_buf + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_kx_S);
1182         gmx_simd_store_r(f_buf + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_ky_S);
1183         gmx_simd_store_r(f_buf + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_kz_S);
1184
1185         iu = i;
1186         s  = 0;
1187         do
1188         {
1189             for (m = 0; m < DIM; m++)
1190             {
1191                 f[ai[s]][m] += f_buf[s + m*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1192                 f[aj[s]][m] -= f_buf[s + m*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] + f_buf[s + (DIM+m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1193                 f[ak[s]][m] += f_buf[s + (DIM+m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1194             }
1195             s++;
1196             iu += nfa1;
1197         }
1198         while (s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH && iu < nbonds);
1199     }
1200 }
1201
1202 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
1203
1204 real linear_angles(int nbonds,
1205                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1206                    const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1207                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1208                    real lambda, real *dvdlambda,
1209                    const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1210                    int gmx_unused *global_atom_index)
1211 {
1212     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1213     rvec f_i, f_j, f_k;
1214     real L1, kA, kB, aA, aB, dr, dr2, va, vtot, a, b, klin;
1215     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1216     rvec r_ij, r_kj, r_ik, dx;
1217
1218     L1   = 1-lambda;
1219     vtot = 0.0;
1220     for (i = 0; (i < nbonds); )
1221     {
1222         type = forceatoms[i++];
1223         ai   = forceatoms[i++];
1224         aj   = forceatoms[i++];
1225         ak   = forceatoms[i++];
1226
1227         kA   = forceparams[type].linangle.klinA;
1228         kB   = forceparams[type].linangle.klinB;
1229         klin = L1*kA + lambda*kB;
1230
1231         aA   = forceparams[type].linangle.aA;
1232         aB   = forceparams[type].linangle.aB;
1233         a    = L1*aA+lambda*aB;
1234         b    = 1-a;
1235
1236         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
1237         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
1238         rvec_sub(r_ij, r_kj, r_ik);
1239
1240         dr2 = 0;
1241         for (m = 0; (m < DIM); m++)
1242         {
1243             dr        = -a * r_ij[m] - b * r_kj[m];
1244             dr2      += dr*dr;
1245             dx[m]     = dr;
1246             f_i[m]    = a*klin*dr;
1247             f_k[m]    = b*klin*dr;
1248             f_j[m]    = -(f_i[m]+f_k[m]);
1249             f[ai][m] += f_i[m];
1250             f[aj][m] += f_j[m];
1251             f[ak][m] += f_k[m];
1252         }
1253         va          = 0.5*klin*dr2;
1254         *dvdlambda += 0.5*(kB-kA)*dr2 + klin*(aB-aA)*iprod(dx, r_ik);
1255
1256         vtot += va;
1257
1258         if (g)
1259         {
1260             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1261
1262             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1263             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1264             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1265             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1266         }
1267         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1268         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1269         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1270     }                                         /* 57 TOTAL       */
1271     return vtot;
1272 }
1273
1274 real urey_bradley(int nbonds,
1275                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1276                   const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1277                   const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1278                   real lambda, real *dvdlambda,
1279                   const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1280                   int gmx_unused *global_atom_index)
1281 {
1282     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type, ki;
1283     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
1284     real cos_theta, cos_theta2, theta;
1285     real dVdt, va, vtot, dr, dr2, vbond, fbond, fik;
1286     real kthA, th0A, kUBA, r13A, kthB, th0B, kUBB, r13B;
1287     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_ik;
1288
1289     vtot = 0.0;
1290     for (i = 0; (i < nbonds); )
1291     {
1292         type  = forceatoms[i++];
1293         ai    = forceatoms[i++];
1294         aj    = forceatoms[i++];
1295         ak    = forceatoms[i++];
1296         th0A  = forceparams[type].u_b.thetaA*DEG2RAD;
1297         kthA  = forceparams[type].u_b.kthetaA;
1298         r13A  = forceparams[type].u_b.r13A;
1299         kUBA  = forceparams[type].u_b.kUBA;
1300         th0B  = forceparams[type].u_b.thetaB*DEG2RAD;
1301         kthB  = forceparams[type].u_b.kthetaB;
1302         r13B  = forceparams[type].u_b.r13B;
1303         kUBB  = forceparams[type].u_b.kUBB;
1304
1305         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1306                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);                     /*  41               */
1307
1308         *dvdlambda += harmonic(kthA, kthB, th0A, th0B, theta, lambda, &va, &dVdt); /*  21  */
1309         vtot       += va;
1310
1311         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);                               /*   3      */
1312         dr2  = iprod(r_ik, r_ik);                                                   /*   5              */
1313         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                                /*  10              */
1314
1315         *dvdlambda += harmonic(kUBA, kUBB, r13A, r13B, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
1316
1317         cos_theta2 = sqr(cos_theta);                                                /*   1              */
1318         if (cos_theta2 < 1)
1319         {
1320             real st, sth;
1321             real cik, cii, ckk;
1322             real nrkj2, nrij2;
1323             rvec f_i, f_j, f_k;
1324
1325             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1326             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1327 #ifdef DEBUG
1328             if (debug)
1329             {
1330                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1331                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1332             }
1333 #endif
1334             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1335             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1336
1337             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1338             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1339             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1340
1341             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1342             {
1343                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1344                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1345                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1346                 f[ai][m] += f_i[m];
1347                 f[aj][m] += f_j[m];
1348                 f[ak][m] += f_k[m];
1349             }
1350             if (g)
1351             {
1352                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1353
1354                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1355                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1356                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1357                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1358             }
1359             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1360             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1361             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1362         }                                       /* 161 TOTAL    */
1363         /* Time for the bond calculations */
1364         if (dr2 == 0.0)
1365         {
1366             continue;
1367         }
1368
1369         vtot  += vbond;            /* 1*/
1370         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
1371
1372         if (g)
1373         {
1374             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, ak), dt_ik);
1375             ki = IVEC2IS(dt_ik);
1376         }
1377         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
1378         {
1379             fik                 = fbond*r_ik[m];
1380             f[ai][m]           += fik;
1381             f[ak][m]           -= fik;
1382             fshift[ki][m]      += fik;
1383             fshift[CENTRAL][m] -= fik;
1384         }
1385     }
1386     return vtot;
1387 }
1388
1389 real quartic_angles(int nbonds,
1390                     const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1391                     const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1392                     const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1393                     real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
1394                     const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1395                     int gmx_unused *global_atom_index)
1396 {
1397     int  i, j, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1398     rvec r_ij, r_kj;
1399     real cos_theta, cos_theta2, theta, dt, dVdt, va, dtp, c, vtot;
1400     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1401
1402     vtot = 0.0;
1403     for (i = 0; (i < nbonds); )
1404     {
1405         type = forceatoms[i++];
1406         ai   = forceatoms[i++];
1407         aj   = forceatoms[i++];
1408         ak   = forceatoms[i++];
1409
1410         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1411                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
1412
1413         dt = theta - forceparams[type].qangle.theta*DEG2RAD;   /* 2          */
1414
1415         dVdt = 0;
1416         va   = forceparams[type].qangle.c[0];
1417         dtp  = 1.0;
1418         for (j = 1; j <= 4; j++)
1419         {
1420             c     = forceparams[type].qangle.c[j];
1421             dVdt -= j*c*dtp;
1422             dtp  *= dt;
1423             va   += c*dtp;
1424         }
1425         /* 20 */
1426
1427         vtot += va;
1428
1429         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
1430         if (cos_theta2 < 1)
1431         {
1432             int  m;
1433             real st, sth;
1434             real cik, cii, ckk;
1435             real nrkj2, nrij2;
1436             rvec f_i, f_j, f_k;
1437
1438             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1439             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1440 #ifdef DEBUG
1441             if (debug)
1442             {
1443                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1444                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1445             }
1446 #endif
1447             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1448             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1449
1450             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1451             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1452             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1453
1454             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1455             {
1456                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1457                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1458                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1459                 f[ai][m] += f_i[m];
1460                 f[aj][m] += f_j[m];
1461                 f[ak][m] += f_k[m];
1462             }
1463             if (g)
1464             {
1465                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1466
1467                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1468                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1469                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1470                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1471             }
1472             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1473             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1474             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1475         }                                       /* 153 TOTAL    */
1476     }
1477     return vtot;
1478 }
1479
1480 real dih_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const rvec xl,
1481                const t_pbc *pbc,
1482                rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl, rvec m, rvec n,
1483                real *sign, int *t1, int *t2, int *t3)
1484 {
1485     real ipr, phi;
1486
1487     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3        */
1488     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
1489     *t3 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xl, r_kl); /*  3                */
1490
1491     cprod(r_ij, r_kj, m);                  /*  9        */
1492     cprod(r_kj, r_kl, n);                  /*  9                */
1493     phi     = gmx_angle(m, n);             /* 49 (assuming 25 for atan2) */
1494     ipr     = iprod(r_ij, n);              /*  5        */
1495     (*sign) = (ipr < 0.0) ? -1.0 : 1.0;
1496     phi     = (*sign)*phi;                 /*  1                */
1497     /* 82 TOTAL */
1498     return phi;
1499 }
1500
1501
1502 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
1503
1504 /* As dih_angle above, but calculates 4 dihedral angles at once using SIMD,
1505  * also calculates the pre-factor required for the dihedral force update.
1506  * Note that bv and buf should be register aligned.
1507  */
1508 static gmx_inline void
1509 dih_angle_simd(const rvec *x,
1510                const int *ai, const int *aj, const int *ak, const int *al,
1511                const pbc_simd_t *pbc,
1512                real *dr,
1513                gmx_simd_real_t *phi_S,
1514                gmx_simd_real_t *mx_S, gmx_simd_real_t *my_S, gmx_simd_real_t *mz_S,
1515                gmx_simd_real_t *nx_S, gmx_simd_real_t *ny_S, gmx_simd_real_t *nz_S,
1516                gmx_simd_real_t *nrkj_m2_S,
1517                gmx_simd_real_t *nrkj_n2_S,
1518                real *p,
1519                real *q)
1520 {
1521     int             s, m;
1522     gmx_simd_real_t rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1523     gmx_simd_real_t rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1524     gmx_simd_real_t rklx_S, rkly_S, rklz_S;
1525     gmx_simd_real_t cx_S, cy_S, cz_S;
1526     gmx_simd_real_t cn_S;
1527     gmx_simd_real_t s_S;
1528     gmx_simd_real_t ipr_S;
1529     gmx_simd_real_t iprm_S, iprn_S;
1530     gmx_simd_real_t nrkj2_S, nrkj_1_S, nrkj_2_S, nrkj_S;
1531     gmx_simd_real_t toler_S;
1532     gmx_simd_real_t p_S, q_S;
1533     gmx_simd_real_t nrkj2_min_S;
1534     gmx_simd_real_t real_eps_S;
1535
1536     /* Used to avoid division by zero.
1537      * We take into acount that we multiply the result by real_eps_S.
1538      */
1539     nrkj2_min_S = gmx_simd_set1_r(GMX_REAL_MIN/(2*GMX_REAL_EPS));
1540
1541     /* The value of the last significant bit (GMX_REAL_EPS is half of that) */
1542     real_eps_S  = gmx_simd_set1_r(2*GMX_REAL_EPS);
1543
1544     for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
1545     {
1546         /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1547          * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1548          */
1549         for (m = 0; m < DIM; m++)
1550         {
1551             dr[s + (0*DIM + m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1552             dr[s + (1*DIM + m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1553             dr[s + (2*DIM + m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ak[s]][m] - x[al[s]][m];
1554         }
1555     }
1556
1557     rijx_S = gmx_simd_load_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1558     rijy_S = gmx_simd_load_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1559     rijz_S = gmx_simd_load_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1560     rkjx_S = gmx_simd_load_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1561     rkjy_S = gmx_simd_load_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1562     rkjz_S = gmx_simd_load_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1563     rklx_S = gmx_simd_load_r(dr + 6*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1564     rkly_S = gmx_simd_load_r(dr + 7*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1565     rklz_S = gmx_simd_load_r(dr + 8*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1566
1567     pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, pbc);
1568     pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, pbc);
1569     pbc_dx_simd(&rklx_S, &rkly_S, &rklz_S, pbc);
1570
1571     gmx_simd_cprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1572                      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1573                      mx_S, my_S, mz_S);
1574
1575     gmx_simd_cprod_r(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1576                      rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1577                      nx_S, ny_S, nz_S);
1578
1579     gmx_simd_cprod_r(*mx_S, *my_S, *mz_S,
1580                      *nx_S, *ny_S, *nz_S,
1581                      &cx_S, &cy_S, &cz_S);
1582
1583     cn_S       = gmx_simd_sqrt_r(gmx_simd_norm2_r(cx_S, cy_S, cz_S));
1584
1585     s_S        = gmx_simd_iprod_r(*mx_S, *my_S, *mz_S, *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1586
1587     /* Determine the dihedral angle, the sign might need correction */
1588     *phi_S     = gmx_simd_atan2_r(cn_S, s_S);
1589
1590     ipr_S      = gmx_simd_iprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1591                                   *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1592
1593     iprm_S     = gmx_simd_norm2_r(*mx_S, *my_S, *mz_S);
1594     iprn_S     = gmx_simd_norm2_r(*nx_S, *ny_S, *nz_S);
1595
1596     nrkj2_S    = gmx_simd_norm2_r(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1597
1598     /* Avoid division by zero. When zero, the result is multiplied by 0
1599      * anyhow, so the 3 max below do not affect the final result.
1600      */
1601     nrkj2_S    = gmx_simd_max_r(nrkj2_S, nrkj2_min_S);
1602     nrkj_1_S   = gmx_simd_invsqrt_r(nrkj2_S);
1603     nrkj_2_S   = gmx_simd_mul_r(nrkj_1_S, nrkj_1_S);
1604     nrkj_S     = gmx_simd_mul_r(nrkj2_S, nrkj_1_S);
1605
1606     toler_S    = gmx_simd_mul_r(nrkj2_S, real_eps_S);
1607
1608     /* Here the plain-C code uses a conditional, but we can't do that in SIMD.
1609      * So we take a max with the tolerance instead. Since we multiply with
1610      * m or n later, the max does not affect the results.
1611      */
1612     iprm_S     = gmx_simd_max_r(iprm_S, toler_S);
1613     iprn_S     = gmx_simd_max_r(iprn_S, toler_S);
1614     *nrkj_m2_S = gmx_simd_mul_r(nrkj_S, gmx_simd_inv_r(iprm_S));
1615     *nrkj_n2_S = gmx_simd_mul_r(nrkj_S, gmx_simd_inv_r(iprn_S));
1616
1617     /* Set sign of phi_S with the sign of ipr_S; phi_S is currently positive */
1618     *phi_S     = gmx_simd_xor_sign_r(*phi_S, ipr_S);
1619     p_S        = gmx_simd_iprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1620                                   rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1621     p_S        = gmx_simd_mul_r(p_S, nrkj_2_S);
1622
1623     q_S        = gmx_simd_iprod_r(rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1624                                   rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1625     q_S        = gmx_simd_mul_r(q_S, nrkj_2_S);
1626
1627     gmx_simd_store_r(p, p_S);
1628     gmx_simd_store_r(q, q_S);
1629 }
1630
1631 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
1632
1633
1634 void do_dih_fup(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1635                 rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1636                 rvec m, rvec n, rvec f[], rvec fshift[],
1637                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1638                 const rvec x[], int t1, int t2, int t3)
1639 {
1640     /* 143 FLOPS */
1641     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1642     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1643     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1644     real a, b, p, q, toler;
1645     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1646
1647     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1648     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1649     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1650     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1651     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1652     {
1653         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1654         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1655         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1656         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1657         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1658         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1659         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1660         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1661         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1662         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1663         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1664         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1665         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1666         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1667         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1668         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1669         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1670         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1671         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1672         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1673
1674         if (g)
1675         {
1676             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, j), jt);
1677             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, i), jt, dt_ij);
1678             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, k), jt, dt_kj);
1679             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, l), jt, dt_lj);
1680             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1681             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1682             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
1683         }
1684         else if (pbc)
1685         {
1686             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[l], x[j], dx_jl);
1687         }
1688         else
1689         {
1690             t3 = CENTRAL;
1691         }
1692
1693         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1694         rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_j);
1695         rvec_dec(fshift[t2], f_k);
1696         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
1697     }
1698     /* 112 TOTAL    */
1699 }
1700
1701 /* As do_dih_fup above, but without shift forces */
1702 static void
1703 do_dih_fup_noshiftf(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1704                     rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1705                     rvec m, rvec n, rvec f[])
1706 {
1707     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1708     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1709     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1710     real a, b, p, q, toler;
1711     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1712
1713     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1714     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1715     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1716     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1717     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1718     {
1719         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1720         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1721         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1722         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1723         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1724         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1725         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1726         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1727         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1728         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1729         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1730         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1731         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1732         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1733         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1734         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1735         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1736         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1737         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1738         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1739     }
1740 }
1741
1742 /* As do_dih_fup_noshiftf above, but with pre-calculated pre-factors */
1743 static gmx_inline void
1744 do_dih_fup_noshiftf_precalc(int i, int j, int k, int l,
1745                             real p, real q,
1746                             real f_i_x, real f_i_y, real f_i_z,
1747                             real mf_l_x, real mf_l_y, real mf_l_z,
1748                             rvec f[])
1749 {
1750     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1751     rvec uvec, vvec, svec;
1752
1753     f_i[XX] = f_i_x;
1754     f_i[YY] = f_i_y;
1755     f_i[ZZ] = f_i_z;
1756     f_l[XX] = -mf_l_x;
1757     f_l[YY] = -mf_l_y;
1758     f_l[ZZ] = -mf_l_z;
1759     svmul(p, f_i, uvec);
1760     svmul(q, f_l, vvec);
1761     rvec_sub(uvec, vvec, svec);
1762     rvec_sub(f_i, svec, f_j);
1763     rvec_add(f_l, svec, f_k);
1764     rvec_inc(f[i], f_i);
1765     rvec_dec(f[j], f_j);
1766     rvec_dec(f[k], f_k);
1767     rvec_inc(f[l], f_l);
1768 }
1769
1770
1771 real dopdihs(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1772              real phi, real lambda, real *V, real *F)
1773 {
1774     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1775     real L1   = 1.0 - lambda;
1776     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1777     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1778     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1779
1780     mdphi =  mult*phi - ph0;
1781     sdphi = sin(mdphi);
1782     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1783     v1    = 1.0 + cos(mdphi);
1784     v     = cp*v1;
1785
1786     dvdlambda  = (cpB - cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1787
1788     *V = v;
1789     *F = ddphi;
1790
1791     return dvdlambda;
1792
1793     /* That was 40 flops */
1794 }
1795
1796 static void
1797 dopdihs_noener(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1798                real phi, real lambda, real *F)
1799 {
1800     real mdphi, sdphi, ddphi;
1801     real L1   = 1.0 - lambda;
1802     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1803     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1804
1805     mdphi = mult*phi - ph0;
1806     sdphi = sin(mdphi);
1807     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1808
1809     *F = ddphi;
1810
1811     /* That was 20 flops */
1812 }
1813
1814 static void
1815 dopdihs_mdphi(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1816               real phi, real lambda, real *cp, real *mdphi)
1817 {
1818     real L1   = 1.0 - lambda;
1819     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1820
1821     *cp    = L1*cpA + lambda*cpB;
1822
1823     *mdphi = mult*phi - ph0;
1824 }
1825
1826 static real dopdihs_min(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1827                         real phi, real lambda, real *V, real *F)
1828 /* similar to dopdihs, except for a minus sign  *
1829  * and a different treatment of mult/phi0       */
1830 {
1831     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1832     real L1   = 1.0 - lambda;
1833     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1834     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1835     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1836
1837     mdphi = mult*(phi-ph0);
1838     sdphi = sin(mdphi);
1839     ddphi = cp*mult*sdphi;
1840     v1    = 1.0-cos(mdphi);
1841     v     = cp*v1;
1842
1843     dvdlambda  = (cpB-cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1844
1845     *V = v;
1846     *F = ddphi;
1847
1848     return dvdlambda;
1849
1850     /* That was 40 flops */
1851 }
1852
1853 real pdihs(int nbonds,
1854            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1855            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1856            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1857            real lambda, real *dvdlambda,
1858            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1859            int gmx_unused *global_atom_index)
1860 {
1861     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1862     int  t1, t2, t3;
1863     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1864     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
1865
1866     vtot = 0.0;
1867
1868     for (i = 0; (i < nbonds); )
1869     {
1870         type = forceatoms[i++];
1871         ai   = forceatoms[i++];
1872         aj   = forceatoms[i++];
1873         ak   = forceatoms[i++];
1874         al   = forceatoms[i++];
1875
1876         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1877                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84      */
1878         *dvdlambda += dopdihs(forceparams[type].pdihs.cpA,
1879                               forceparams[type].pdihs.cpB,
1880                               forceparams[type].pdihs.phiA,
1881                               forceparams[type].pdihs.phiB,
1882                               forceparams[type].pdihs.mult,
1883                               phi, lambda, &vpd, &ddphi);
1884
1885         vtot += vpd;
1886         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1887                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
1888
1889 #ifdef DEBUG
1890         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
1891                 ai, aj, ak, al, phi);
1892 #endif
1893     } /* 223 TOTAL  */
1894
1895     return vtot;
1896 }
1897
1898 void make_dp_periodic(real *dp)  /* 1 flop? */
1899 {
1900     /* dp cannot be outside (-pi,pi) */
1901     if (*dp >= M_PI)
1902     {
1903         *dp -= 2*M_PI;
1904     }
1905     else if (*dp < -M_PI)
1906     {
1907         *dp += 2*M_PI;
1908     }
1909     return;
1910 }
1911
1912 /* As pdihs above, but without calculating energies and shift forces */
1913 static void
1914 pdihs_noener(int nbonds,
1915              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1916              const rvec x[], rvec f[],
1917              const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1918              real lambda,
1919              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1920              int gmx_unused *global_atom_index)
1921 {
1922     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1923     int  t1, t2, t3;
1924     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1925     real phi, sign, ddphi_tot, ddphi;
1926
1927     for (i = 0; (i < nbonds); )
1928     {
1929         ai   = forceatoms[i+1];
1930         aj   = forceatoms[i+2];
1931         ak   = forceatoms[i+3];
1932         al   = forceatoms[i+4];
1933
1934         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1935                         &sign, &t1, &t2, &t3);
1936
1937         ddphi_tot = 0;
1938
1939         /* Loop over dihedrals working on the same atoms,
1940          * so we avoid recalculating angles and force distributions.
1941          */
1942         do
1943         {
1944             type = forceatoms[i];
1945             dopdihs_noener(forceparams[type].pdihs.cpA,
1946                            forceparams[type].pdihs.cpB,
1947                            forceparams[type].pdihs.phiA,
1948                            forceparams[type].pdihs.phiB,
1949                            forceparams[type].pdihs.mult,
1950                            phi, lambda, &ddphi);
1951             ddphi_tot += ddphi;
1952
1953             i += 5;
1954         }
1955         while (i < nbonds &&
1956                forceatoms[i+1] == ai &&
1957                forceatoms[i+2] == aj &&
1958                forceatoms[i+3] == ak &&
1959                forceatoms[i+4] == al);
1960
1961         do_dih_fup_noshiftf(ai, aj, ak, al, ddphi_tot, r_ij, r_kj, r_kl, m, n, f);
1962     }
1963 }
1964
1965
1966 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
1967
1968 /* As pdihs_noner above, but using SIMD to calculate many dihedrals at once */
1969 static void
1970 pdihs_noener_simd(int nbonds,
1971                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1972                   const rvec x[], rvec f[],
1973                   const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1974                   real gmx_unused lambda,
1975                   const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1976                   int gmx_unused *global_atom_index)
1977 {
1978     const int             nfa1 = 5;
1979     int                   i, iu, s;
1980     int                   type, ai[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], aj[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], ak[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], al[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1981     int                   t1[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], t2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], t3[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1982     real                  ddphi;
1983     real                  dr_array[3*DIM*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *dr;
1984     real                  buf_array[7*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *buf;
1985     real                 *cp, *phi0, *mult, *phi, *p, *q, *sf_i, *msf_l;
1986     gmx_simd_real_t       phi0_S, phi_S;
1987     gmx_simd_real_t       mx_S, my_S, mz_S;
1988     gmx_simd_real_t       nx_S, ny_S, nz_S;
1989     gmx_simd_real_t       nrkj_m2_S, nrkj_n2_S;
1990     gmx_simd_real_t       cp_S, mdphi_S, mult_S;
1991     gmx_simd_real_t       sin_S, cos_S;
1992     gmx_simd_real_t       mddphi_S;
1993     gmx_simd_real_t       sf_i_S, msf_l_S;
1994     pbc_simd_t            pbc_simd;
1995
1996     /* Ensure SIMD register alignment */
1997     dr  = gmx_simd_align_r(dr_array);
1998     buf = gmx_simd_align_r(buf_array);
1999
2000     /* Extract aligned pointer for parameters and variables */
2001     cp    = buf + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2002     phi0  = buf + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2003     mult  = buf + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2004     p     = buf + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2005     q     = buf + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2006     sf_i  = buf + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2007     msf_l = buf + 6*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2008
2009     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
2010
2011     /* nbonds is the number of dihedrals times nfa1, here we step GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihs */
2012     for (i = 0; (i < nbonds); i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH*nfa1)
2013     {
2014         /* Collect atoms quadruplets for GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedrals.
2015          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
2016          */
2017         iu = i;
2018         for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
2019         {
2020             type  = forceatoms[iu];
2021             ai[s] = forceatoms[iu+1];
2022             aj[s] = forceatoms[iu+2];
2023             ak[s] = forceatoms[iu+3];
2024             al[s] = forceatoms[iu+4];
2025
2026             cp[s]   = forceparams[type].pdihs.cpA;
2027             phi0[s] = forceparams[type].pdihs.phiA*DEG2RAD;
2028             mult[s] = forceparams[type].pdihs.mult;
2029
2030             /* At the end fill the arrays with identical entries */
2031             if (iu + nfa1 < nbonds)
2032             {
2033                 iu += nfa1;
2034             }
2035         }
2036
2037         /* Caclulate GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedral angles at once */
2038         dih_angle_simd(x, ai, aj, ak, al, &pbc_simd,
2039                        dr,
2040                        &phi_S,
2041                        &mx_S, &my_S, &mz_S,
2042                        &nx_S, &ny_S, &nz_S,
2043                        &nrkj_m2_S,
2044                        &nrkj_n2_S,
2045                        p, q);
2046
2047         cp_S     = gmx_simd_load_r(cp);
2048         phi0_S   = gmx_simd_load_r(phi0);
2049         mult_S   = gmx_simd_load_r(mult);
2050
2051         mdphi_S  = gmx_simd_sub_r(gmx_simd_mul_r(mult_S, phi_S), phi0_S);
2052
2053         /* Calculate GMX_SIMD_REAL_WIDTH sines at once */
2054         gmx_simd_sincos_r(mdphi_S, &sin_S, &cos_S);
2055         mddphi_S = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_mul_r(cp_S, mult_S), sin_S);
2056         sf_i_S   = gmx_simd_mul_r(mddphi_S, nrkj_m2_S);
2057         msf_l_S  = gmx_simd_mul_r(mddphi_S, nrkj_n2_S);
2058
2059         /* After this m?_S will contain f[i] */
2060         mx_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mx_S);
2061         my_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, my_S);
2062         mz_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mz_S);
2063
2064         /* After this m?_S will contain -f[l] */
2065         nx_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nx_S);
2066         ny_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, ny_S);
2067         nz_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nz_S);
2068
2069         gmx_simd_store_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mx_S);
2070         gmx_simd_store_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, my_S);
2071         gmx_simd_store_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mz_S);
2072         gmx_simd_store_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nx_S);
2073         gmx_simd_store_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, ny_S);
2074         gmx_simd_store_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nz_S);
2075
2076         iu = i;
2077         s  = 0;
2078         do
2079         {
2080             do_dih_fup_noshiftf_precalc(ai[s], aj[s], ak[s], al[s],
2081                                         p[s], q[s],
2082                                         dr[     XX *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2083                                         dr[     YY *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2084                                         dr[     ZZ *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2085                                         dr[(DIM+XX)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2086                                         dr[(DIM+YY)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2087                                         dr[(DIM+ZZ)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2088                                         f);
2089             s++;
2090             iu += nfa1;
2091         }
2092         while (s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH && iu < nbonds);
2093     }
2094 }
2095
2096 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
2097
2098
2099 real idihs(int nbonds,
2100            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2101            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2102            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2103            real lambda, real *dvdlambda,
2104            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2105            int gmx_unused *global_atom_index)
2106 {
2107     int  i, type, ai, aj, ak, al;
2108     int  t1, t2, t3;
2109     real phi, phi0, dphi0, ddphi, sign, vtot;
2110     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2111     real L1, kk, dp, dp2, kA, kB, pA, pB, dvdl_term;
2112
2113     L1        = 1.0-lambda;
2114     dvdl_term = 0;
2115     vtot      = 0.0;
2116     for (i = 0; (i < nbonds); )
2117     {
2118         type = forceatoms[i++];
2119         ai   = forceatoms[i++];
2120         aj   = forceatoms[i++];
2121         ak   = forceatoms[i++];
2122         al   = forceatoms[i++];
2123
2124         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2125                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2126
2127         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2128          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2129          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2130          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2131          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2132          * the potential.
2133          */
2134         kA = forceparams[type].harmonic.krA;
2135         kB = forceparams[type].harmonic.krB;
2136         pA = forceparams[type].harmonic.rA;
2137         pB = forceparams[type].harmonic.rB;
2138
2139         kk    = L1*kA + lambda*kB;
2140         phi0  = (L1*pA + lambda*pB)*DEG2RAD;
2141         dphi0 = (pB - pA)*DEG2RAD;
2142
2143         dp = phi-phi0;
2144
2145         make_dp_periodic(&dp);
2146
2147         dp2 = dp*dp;
2148
2149         vtot += 0.5*kk*dp2;
2150         ddphi = -kk*dp;
2151
2152         dvdl_term += 0.5*(kB - kA)*dp2 - kk*dphi0*dp;
2153
2154         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, (real)(-ddphi), r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2155                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2156         /* 218 TOTAL    */
2157 #ifdef DEBUG
2158         if (debug)
2159         {
2160             fprintf(debug, "idih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
2161                     ai, aj, ak, al, phi);
2162         }
2163 #endif
2164     }
2165
2166     *dvdlambda += dvdl_term;
2167     return vtot;
2168 }
2169
2170
2171 /*! \brief returns dx, rdist, and dpdl for functions posres() and fbposres()
2172  */
2173 static void posres_dx(const rvec x, const rvec pos0A, const rvec pos0B,
2174                       const rvec comA_sc, const rvec comB_sc,
2175                       real lambda,
2176                       t_pbc *pbc, int refcoord_scaling, int npbcdim,
2177                       rvec dx, rvec rdist, rvec dpdl)
2178 {
2179     int  m, d;
2180     real posA, posB, L1, ref = 0.;
2181     rvec pos;
2182
2183     L1 = 1.0-lambda;
2184
2185     for (m = 0; m < DIM; m++)
2186     {
2187         posA = pos0A[m];
2188         posB = pos0B[m];
2189         if (m < npbcdim)
2190         {
2191             switch (refcoord_scaling)
2192             {
2193                 case erscNO:
2194                     ref      = 0;
2195                     rdist[m] = L1*posA + lambda*posB;
2196                     dpdl[m]  = posB - posA;
2197                     break;
2198                 case erscALL:
2199                     /* Box relative coordinates are stored for dimensions with pbc */
2200                     posA *= pbc->box[m][m];
2201                     posB *= pbc->box[m][m];
2202                     for (d = m+1; d < npbcdim; d++)
2203                     {
2204                         posA += pos0A[d]*pbc->box[d][m];
2205                         posB += pos0B[d]*pbc->box[d][m];
2206                     }
2207                     ref      = L1*posA + lambda*posB;
2208                     rdist[m] = 0;
2209                     dpdl[m]  = posB - posA;
2210                     break;
2211                 case erscCOM:
2212                     ref      = L1*comA_sc[m] + lambda*comB_sc[m];
2213                     rdist[m] = L1*posA       + lambda*posB;
2214                     dpdl[m]  = comB_sc[m] - comA_sc[m] + posB - posA;
2215                     break;
2216                 default:
2217                     gmx_fatal(FARGS, "No such scaling method implemented");
2218             }
2219         }
2220         else
2221         {
2222             ref      = L1*posA + lambda*posB;
2223             rdist[m] = 0;
2224             dpdl[m]  = posB - posA;
2225         }
2226
2227         /* We do pbc_dx with ref+rdist,
2228          * since with only ref we can be up to half a box vector wrong.
2229          */
2230         pos[m] = ref + rdist[m];
2231     }
2232
2233     if (pbc)
2234     {
2235         pbc_dx(pbc, x, pos, dx);
2236     }
2237     else
2238     {
2239         rvec_sub(x, pos, dx);
2240     }
2241 }
2242
2243 /*! \brief Adds forces of flat-bottomed positions restraints to f[]
2244  *         and fixes vir_diag. Returns the flat-bottomed potential. */
2245 real fbposres(int nbonds,
2246               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2247               const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2248               t_pbc *pbc,
2249               int refcoord_scaling, int ePBC, rvec com)
2250 /* compute flat-bottomed positions restraints */
2251 {
2252     int              i, ai, m, d, type, npbcdim = 0, fbdim;
2253     const t_iparams *pr;
2254     real             vtot, kk, v;
2255     real             ref = 0, dr, dr2, rpot, rfb, rfb2, fact, invdr;
2256     rvec             com_sc, rdist, pos, dx, dpdl, fm;
2257     gmx_bool         bInvert;
2258
2259     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2260
2261     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2262     {
2263         clear_rvec(com_sc);
2264         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2265         {
2266             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2267             {
2268                 com_sc[m] += com[d]*pbc->box[d][m];
2269             }
2270         }
2271     }
2272
2273     vtot = 0.0;
2274     for (i = 0; (i < nbonds); )
2275     {
2276         type = forceatoms[i++];
2277         ai   = forceatoms[i++];
2278         pr   = &forceparams[type];
2279
2280         /* same calculation as for normal posres, but with identical A and B states, and lambda==0 */
2281         posres_dx(x[ai], forceparams[type].fbposres.pos0, forceparams[type].fbposres.pos0,
2282                   com_sc, com_sc, 0.0,
2283                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2284                   dx, rdist, dpdl);
2285
2286         clear_rvec(fm);
2287         v = 0.0;
2288
2289         kk   = pr->fbposres.k;
2290         rfb  = pr->fbposres.r;
2291         rfb2 = sqr(rfb);
2292
2293         /* with rfb<0, push particle out of the sphere/cylinder/layer */
2294         bInvert = FALSE;
2295         if (rfb < 0.)
2296         {
2297             bInvert = TRUE;
2298             rfb     = -rfb;
2299         }
2300
2301         switch (pr->fbposres.geom)
2302         {
2303             case efbposresSPHERE:
2304                 /* spherical flat-bottom posres */
2305                 dr2 = norm2(dx);
2306                 if (dr2 > 0.0 &&
2307                     ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2308                     )
2309                 {
2310                     dr   = sqrt(dr2);
2311                     v    = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2312                     fact = -kk*(dr-rfb)/dr; /* Force pointing to the center pos0 */
2313                     svmul(fact, dx, fm);
2314                 }
2315                 break;
2316             case efbposresCYLINDER:
2317                 /* cylidrical flat-bottom posres in x-y plane. fm[ZZ] = 0. */
2318                 dr2 = sqr(dx[XX])+sqr(dx[YY]);
2319                 if  (dr2 > 0.0 &&
2320                      ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2321                      )
2322                 {
2323                     dr     = sqrt(dr2);
2324                     invdr  = 1./dr;
2325                     v      = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2326                     fm[XX] = -kk*(dr-rfb)*dx[XX]*invdr; /* Force pointing to the center */
2327                     fm[YY] = -kk*(dr-rfb)*dx[YY]*invdr;
2328                 }
2329                 break;
2330             case efbposresX: /* fbdim=XX */
2331             case efbposresY: /* fbdim=YY */
2332             case efbposresZ: /* fbdim=ZZ */
2333                 /* 1D flat-bottom potential */
2334                 fbdim = pr->fbposres.geom - efbposresX;
2335                 dr    = dx[fbdim];
2336                 if ( ( dr > rfb && bInvert == FALSE ) || ( 0 < dr && dr < rfb && bInvert == TRUE )  )
2337                 {
2338                     v         = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2339                     fm[fbdim] = -kk*(dr - rfb);
2340                 }
2341                 else if ( (dr < (-rfb) && bInvert == FALSE ) || ( (-rfb) < dr && dr < 0 && bInvert == TRUE ))
2342                 {
2343                     v         = 0.5*kk*sqr(dr + rfb);
2344                     fm[fbdim] = -kk*(dr + rfb);
2345                 }
2346                 break;
2347         }
2348
2349         vtot += v;
2350
2351         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2352         {
2353             f[ai][m]   += fm[m];
2354             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2355             vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm[m];
2356         }
2357     }
2358
2359     return vtot;
2360 }
2361
2362
2363 real posres(int nbonds,
2364             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2365             const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2366             t_pbc *pbc,
2367             real lambda, real *dvdlambda,
2368             int refcoord_scaling, int ePBC, rvec comA, rvec comB)
2369 {
2370     int              i, ai, m, d, type, ki, npbcdim = 0;
2371     const t_iparams *pr;
2372     real             L1;
2373     real             vtot, kk, fm;
2374     real             posA, posB, ref = 0;
2375     rvec             comA_sc, comB_sc, rdist, dpdl, pos, dx;
2376     gmx_bool         bForceValid = TRUE;
2377
2378     if ((f == NULL) || (vir_diag == NULL))    /* should both be null together! */
2379     {
2380         bForceValid = FALSE;
2381     }
2382
2383     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2384
2385     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2386     {
2387         clear_rvec(comA_sc);
2388         clear_rvec(comB_sc);
2389         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2390         {
2391             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2392             {
2393                 comA_sc[m] += comA[d]*pbc->box[d][m];
2394                 comB_sc[m] += comB[d]*pbc->box[d][m];
2395             }
2396         }
2397     }
2398
2399     L1 = 1.0 - lambda;
2400
2401     vtot = 0.0;
2402     for (i = 0; (i < nbonds); )
2403     {
2404         type = forceatoms[i++];
2405         ai   = forceatoms[i++];
2406         pr   = &forceparams[type];
2407
2408         /* return dx, rdist, and dpdl */
2409         posres_dx(x[ai], forceparams[type].posres.pos0A, forceparams[type].posres.pos0B,
2410                   comA_sc, comB_sc, lambda,
2411                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2412                   dx, rdist, dpdl);
2413
2414         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2415         {
2416             kk          = L1*pr->posres.fcA[m] + lambda*pr->posres.fcB[m];
2417             fm          = -kk*dx[m];
2418             vtot       += 0.5*kk*dx[m]*dx[m];
2419             *dvdlambda +=
2420                 0.5*(pr->posres.fcB[m] - pr->posres.fcA[m])*dx[m]*dx[m]
2421                 -fm*dpdl[m];
2422
2423             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2424             if (bForceValid)
2425             {
2426                 f[ai][m]    += fm;
2427                 vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm;
2428             }
2429         }
2430     }
2431
2432     return vtot;
2433 }
2434
2435 static real low_angres(int nbonds,
2436                        const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2437                        const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2438                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2439                        real lambda, real *dvdlambda,
2440                        gmx_bool bZAxis)
2441 {
2442     int  i, m, type, ai, aj, ak, al;
2443     int  t1, t2;
2444     real phi, cos_phi, cos_phi2, vid, vtot, dVdphi;
2445     rvec r_ij, r_kl, f_i, f_k = {0, 0, 0};
2446     real st, sth, nrij2, nrkl2, c, cij, ckl;
2447
2448     ivec dt;
2449     t2 = 0; /* avoid warning with gcc-3.3. It is never used uninitialized */
2450
2451     vtot = 0.0;
2452     ak   = al = 0; /* to avoid warnings */
2453     for (i = 0; i < nbonds; )
2454     {
2455         type = forceatoms[i++];
2456         ai   = forceatoms[i++];
2457         aj   = forceatoms[i++];
2458         t1   = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], r_ij);       /*  3               */
2459         if (!bZAxis)
2460         {
2461             ak   = forceatoms[i++];
2462             al   = forceatoms[i++];
2463             t2   = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], r_kl);  /*  3                */
2464         }
2465         else
2466         {
2467             r_kl[XX] = 0;
2468             r_kl[YY] = 0;
2469             r_kl[ZZ] = 1;
2470         }
2471
2472         cos_phi = cos_angle(r_ij, r_kl); /* 25          */
2473         phi     = acos(cos_phi);         /* 10           */
2474
2475         *dvdlambda += dopdihs_min(forceparams[type].pdihs.cpA,
2476                                   forceparams[type].pdihs.cpB,
2477                                   forceparams[type].pdihs.phiA,
2478                                   forceparams[type].pdihs.phiB,
2479                                   forceparams[type].pdihs.mult,
2480                                   phi, lambda, &vid, &dVdphi); /*  40  */
2481
2482         vtot += vid;
2483
2484         cos_phi2 = sqr(cos_phi);                /*   1          */
2485         if (cos_phi2 < 1)
2486         {
2487             st    = -dVdphi*gmx_invsqrt(1 - cos_phi2); /*  12           */
2488             sth   = st*cos_phi;                        /*   1           */
2489             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);                 /*   5           */
2490             nrkl2 = iprod(r_kl, r_kl);                 /*   5          */
2491
2492             c   = st*gmx_invsqrt(nrij2*nrkl2);         /*  11           */
2493             cij = sth/nrij2;                           /*  10           */
2494             ckl = sth/nrkl2;                           /*  10           */
2495
2496             for (m = 0; m < DIM; m++)                  /*  18+18       */
2497             {
2498                 f_i[m]    = (c*r_kl[m]-cij*r_ij[m]);
2499                 f[ai][m] += f_i[m];
2500                 f[aj][m] -= f_i[m];
2501                 if (!bZAxis)
2502                 {
2503                     f_k[m]    = (c*r_ij[m]-ckl*r_kl[m]);
2504                     f[ak][m] += f_k[m];
2505                     f[al][m] -= f_k[m];
2506                 }
2507             }
2508
2509             if (g)
2510             {
2511                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
2512                 t1 = IVEC2IS(dt);
2513             }
2514             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2515             rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_i);
2516             if (!bZAxis)
2517             {
2518                 if (g)
2519                 {
2520                     ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, al), dt);
2521                     t2 = IVEC2IS(dt);
2522                 }
2523                 rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2524                 rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_k);
2525             }
2526         }
2527     }
2528
2529     return vtot; /*  184 / 157 (bZAxis)  total  */
2530 }
2531
2532 real angres(int nbonds,
2533             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2534             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2535             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2536             real lambda, real *dvdlambda,
2537             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2538             int gmx_unused *global_atom_index)
2539 {
2540     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2541                       lambda, dvdlambda, FALSE);
2542 }
2543
2544 real angresz(int nbonds,
2545              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2546              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2547              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2548              real lambda, real *dvdlambda,
2549              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2550              int gmx_unused *global_atom_index)
2551 {
2552     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2553                       lambda, dvdlambda, TRUE);
2554 }
2555
2556 real dihres(int nbonds,
2557             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2558             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2559             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2560             real lambda, real *dvdlambda,
2561             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2562             int gmx_unused  *global_atom_index)
2563 {
2564     real vtot = 0;
2565     int  ai, aj, ak, al, i, k, type, t1, t2, t3;
2566     real phi0A, phi0B, dphiA, dphiB, kfacA, kfacB, phi0, dphi, kfac;
2567     real phi, ddphi, ddp, ddp2, dp, sign, d2r, fc, L1;
2568     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2569
2570     L1 = 1.0-lambda;
2571
2572     d2r = DEG2RAD;
2573     k   = 0;
2574
2575     for (i = 0; (i < nbonds); )
2576     {
2577         type = forceatoms[i++];
2578         ai   = forceatoms[i++];
2579         aj   = forceatoms[i++];
2580         ak   = forceatoms[i++];
2581         al   = forceatoms[i++];
2582
2583         phi0A  = forceparams[type].dihres.phiA*d2r;
2584         dphiA  = forceparams[type].dihres.dphiA*d2r;
2585         kfacA  = forceparams[type].dihres.kfacA;
2586
2587         phi0B  = forceparams[type].dihres.phiB*d2r;
2588         dphiB  = forceparams[type].dihres.dphiB*d2r;
2589         kfacB  = forceparams[type].dihres.kfacB;
2590
2591         phi0  = L1*phi0A + lambda*phi0B;
2592         dphi  = L1*dphiA + lambda*dphiB;
2593         kfac  = L1*kfacA + lambda*kfacB;
2594
2595         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2596                         &sign, &t1, &t2, &t3);
2597         /* 84 flops */
2598
2599         if (debug)
2600         {
2601             fprintf(debug, "dihres[%d]: %d %d %d %d : phi=%f, dphi=%f, kfac=%f\n",
2602                     k++, ai, aj, ak, al, phi0, dphi, kfac);
2603         }
2604         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2605          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2606          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2607          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2608          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2609          * the potential.
2610          */
2611         dp = phi-phi0;
2612         make_dp_periodic(&dp);
2613
2614         if (dp > dphi)
2615         {
2616             ddp = dp-dphi;
2617         }
2618         else if (dp < -dphi)
2619         {
2620             ddp = dp+dphi;
2621         }
2622         else
2623         {
2624             ddp = 0;
2625         }
2626
2627         if (ddp != 0.0)
2628         {
2629             ddp2  = ddp*ddp;
2630             vtot += 0.5*kfac*ddp2;
2631             ddphi = kfac*ddp;
2632
2633             *dvdlambda += 0.5*(kfacB - kfacA)*ddp2;
2634             /* lambda dependence from changing restraint distances */
2635             if (ddp > 0)
2636             {
2637                 *dvdlambda -= kfac*ddp*((dphiB - dphiA)+(phi0B - phi0A));
2638             }
2639             else if (ddp < 0)
2640             {
2641                 *dvdlambda += kfac*ddp*((dphiB - dphiA)-(phi0B - phi0A));
2642             }
2643             do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2644                        f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3);      /* 112           */
2645         }
2646     }
2647     return vtot;
2648 }
2649
2650
2651 real unimplemented(int gmx_unused nbonds,
2652                    const t_iatom gmx_unused forceatoms[], const t_iparams gmx_unused forceparams[],
2653                    const rvec gmx_unused x[], rvec gmx_unused f[], rvec gmx_unused fshift[],
2654                    const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph  gmx_unused *g,
2655                    real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2656                    const t_mdatoms  gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2657                    int gmx_unused *global_atom_index)
2658 {
2659     gmx_impl("*** you are using a not implemented function");
2660
2661     return 0.0; /* To make the compiler happy */
2662 }
2663
2664 real rbdihs(int nbonds,
2665             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2666             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2667             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2668             real lambda, real *dvdlambda,
2669             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2670             int gmx_unused *global_atom_index)
2671 {
2672     const real c0 = 0.0, c1 = 1.0, c2 = 2.0, c3 = 3.0, c4 = 4.0, c5 = 5.0;
2673     int        type, ai, aj, ak, al, i, j;
2674     int        t1, t2, t3;
2675     rvec       r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2676     real       parmA[NR_RBDIHS];
2677     real       parmB[NR_RBDIHS];
2678     real       parm[NR_RBDIHS];
2679     real       cos_phi, phi, rbp, rbpBA;
2680     real       v, sign, ddphi, sin_phi;
2681     real       cosfac, vtot;
2682     real       L1        = 1.0-lambda;
2683     real       dvdl_term = 0;
2684
2685     vtot = 0.0;
2686     for (i = 0; (i < nbonds); )
2687     {
2688         type = forceatoms[i++];
2689         ai   = forceatoms[i++];
2690         aj   = forceatoms[i++];
2691         ak   = forceatoms[i++];
2692         al   = forceatoms[i++];
2693
2694         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2695                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2696
2697         /* Change to polymer convention */
2698         if (phi < c0)
2699         {
2700             phi += M_PI;
2701         }
2702         else
2703         {
2704             phi -= M_PI;    /*   1              */
2705
2706         }
2707         cos_phi = cos(phi);
2708         /* Beware of accuracy loss, cannot use 1-sqrt(cos^2) ! */
2709         sin_phi = sin(phi);
2710
2711         for (j = 0; (j < NR_RBDIHS); j++)
2712         {
2713             parmA[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcA[j];
2714             parmB[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcB[j];
2715             parm[j]  = L1*parmA[j]+lambda*parmB[j];
2716         }
2717         /* Calculate cosine powers */
2718         /* Calculate the energy */
2719         /* Calculate the derivative */
2720
2721         v            = parm[0];
2722         dvdl_term   += (parmB[0]-parmA[0]);
2723         ddphi        = c0;
2724         cosfac       = c1;
2725
2726         rbp          = parm[1];
2727         rbpBA        = parmB[1]-parmA[1];
2728         ddphi       += rbp*cosfac;
2729         cosfac      *= cos_phi;
2730         v           += cosfac*rbp;
2731         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2732         rbp          = parm[2];
2733         rbpBA        = parmB[2]-parmA[2];
2734         ddphi       += c2*rbp*cosfac;
2735         cosfac      *= cos_phi;
2736         v           += cosfac*rbp;
2737         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2738         rbp          = parm[3];
2739         rbpBA        = parmB[3]-parmA[3];
2740         ddphi       += c3*rbp*cosfac;
2741         cosfac      *= cos_phi;
2742         v           += cosfac*rbp;
2743         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2744         rbp          = parm[4];
2745         rbpBA        = parmB[4]-parmA[4];
2746         ddphi       += c4*rbp*cosfac;
2747         cosfac      *= cos_phi;
2748         v           += cosfac*rbp;
2749         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2750         rbp          = parm[5];
2751         rbpBA        = parmB[5]-parmA[5];
2752         ddphi       += c5*rbp*cosfac;
2753         cosfac      *= cos_phi;
2754         v           += cosfac*rbp;
2755         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2756
2757         ddphi = -ddphi*sin_phi;         /*  11          */
2758
2759         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2760                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2761         vtot += v;
2762     }
2763     *dvdlambda += dvdl_term;
2764
2765     return vtot;
2766 }
2767
2768 int cmap_setup_grid_index(int ip, int grid_spacing, int *ipm1, int *ipp1, int *ipp2)
2769 {
2770     int im1, ip1, ip2;
2771
2772     if (ip < 0)
2773     {
2774         ip = ip + grid_spacing - 1;
2775     }
2776     else if (ip > grid_spacing)
2777     {
2778         ip = ip - grid_spacing - 1;
2779     }
2780
2781     im1 = ip - 1;
2782     ip1 = ip + 1;
2783     ip2 = ip + 2;
2784
2785     if (ip == 0)
2786     {
2787         im1 = grid_spacing - 1;
2788     }
2789     else if (ip == grid_spacing-2)
2790     {
2791         ip2 = 0;
2792     }
2793     else if (ip == grid_spacing-1)
2794     {
2795         ip1 = 0;
2796         ip2 = 1;
2797     }
2798
2799     *ipm1 = im1;
2800     *ipp1 = ip1;
2801     *ipp2 = ip2;
2802
2803     return ip;
2804
2805 }
2806
2807 real cmap_dihs(int nbonds,
2808                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2809                const gmx_cmap_t *cmap_grid,
2810                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2811                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2812                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2813                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2814                int  gmx_unused *global_atom_index)
2815 {
2816     int         i, j, k, n, idx;
2817     int         ai, aj, ak, al, am;
2818     int         a1i, a1j, a1k, a1l, a2i, a2j, a2k, a2l;
2819     int         type, cmapA;
2820     int         t11, t21, t31, t12, t22, t32;
2821     int         iphi1, ip1m1, ip1p1, ip1p2;
2822     int         iphi2, ip2m1, ip2p1, ip2p2;
2823     int         l1, l2, l3, l4;
2824     int         pos1, pos2, pos3, pos4, tmp;
2825
2826     real        ty[4], ty1[4], ty2[4], ty12[4], tc[16], tx[16];
2827     real        phi1, psi1, cos_phi1, sin_phi1, sign1, xphi1;
2828     real        phi2, psi2, cos_phi2, sin_phi2, sign2, xphi2;
2829     real        dx, xx, tt, tu, e, df1, df2, ddf1, ddf2, ddf12, vtot;
2830     real        ra21, rb21, rg21, rg1, rgr1, ra2r1, rb2r1, rabr1;
2831     real        ra22, rb22, rg22, rg2, rgr2, ra2r2, rb2r2, rabr2;
2832     real        fg1, hg1, fga1, hgb1, gaa1, gbb1;
2833     real        fg2, hg2, fga2, hgb2, gaa2, gbb2;
2834     real        fac;
2835
2836     rvec        r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1;
2837     rvec        r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2;
2838     rvec        f1_i, f1_j, f1_k, f1_l;
2839     rvec        f2_i, f2_j, f2_k, f2_l;
2840     rvec        a1, b1, a2, b2;
2841     rvec        f1, g1, h1, f2, g2, h2;
2842     rvec        dtf1, dtg1, dth1, dtf2, dtg2, dth2;
2843     ivec        jt1, dt1_ij, dt1_kj, dt1_lj;
2844     ivec        jt2, dt2_ij, dt2_kj, dt2_lj;
2845
2846     const real *cmapd;
2847
2848     int         loop_index[4][4] = {
2849         {0, 4, 8, 12},
2850         {1, 5, 9, 13},
2851         {2, 6, 10, 14},
2852         {3, 7, 11, 15}
2853     };
2854
2855     /* Total CMAP energy */
2856     vtot = 0;
2857
2858     for (n = 0; n < nbonds; )
2859     {
2860         /* Five atoms are involved in the two torsions */
2861         type   = forceatoms[n++];
2862         ai     = forceatoms[n++];
2863         aj     = forceatoms[n++];
2864         ak     = forceatoms[n++];
2865         al     = forceatoms[n++];
2866         am     = forceatoms[n++];
2867
2868         /* Which CMAP type is this */
2869         cmapA = forceparams[type].cmap.cmapA;
2870         cmapd = cmap_grid->cmapdata[cmapA].cmap;
2871
2872         /* First torsion */
2873         a1i   = ai;
2874         a1j   = aj;
2875         a1k   = ak;
2876         a1l   = al;
2877
2878         phi1  = dih_angle(x[a1i], x[a1j], x[a1k], x[a1l], pbc, r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1,
2879                           &sign1, &t11, &t21, &t31);  /* 84 */
2880
2881         cos_phi1 = cos(phi1);
2882
2883         a1[0] = r1_ij[1]*r1_kj[2]-r1_ij[2]*r1_kj[1];
2884         a1[1] = r1_ij[2]*r1_kj[0]-r1_ij[0]*r1_kj[2];
2885         a1[2] = r1_ij[0]*r1_kj[1]-r1_ij[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2886
2887         b1[0] = r1_kl[1]*r1_kj[2]-r1_kl[2]*r1_kj[1];
2888         b1[1] = r1_kl[2]*r1_kj[0]-r1_kl[0]*r1_kj[2];
2889         b1[2] = r1_kl[0]*r1_kj[1]-r1_kl[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2890
2891         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1k], h1);
2892
2893         ra21  = iprod(a1, a1);       /* 5 */
2894         rb21  = iprod(b1, b1);       /* 5 */
2895         rg21  = iprod(r1_kj, r1_kj); /* 5 */
2896         rg1   = sqrt(rg21);
2897
2898         rgr1  = 1.0/rg1;
2899         ra2r1 = 1.0/ra21;
2900         rb2r1 = 1.0/rb21;
2901         rabr1 = sqrt(ra2r1*rb2r1);
2902
2903         sin_phi1 = rg1 * rabr1 * iprod(a1, h1) * (-1);
2904
2905         if (cos_phi1 < -0.5 || cos_phi1 > 0.5)
2906         {
2907             phi1 = asin(sin_phi1);
2908
2909             if (cos_phi1 < 0)
2910             {
2911                 if (phi1 > 0)
2912                 {
2913                     phi1 = M_PI - phi1;
2914                 }
2915                 else
2916                 {
2917                     phi1 = -M_PI - phi1;
2918                 }
2919             }
2920         }
2921         else
2922         {
2923             phi1 = acos(cos_phi1);
2924
2925             if (sin_phi1 < 0)
2926             {
2927                 phi1 = -phi1;
2928             }
2929         }
2930
2931         xphi1 = phi1 + M_PI; /* 1 */
2932
2933         /* Second torsion */
2934         a2i   = aj;
2935         a2j   = ak;
2936         a2k   = al;
2937         a2l   = am;
2938
2939         phi2  = dih_angle(x[a2i], x[a2j], x[a2k], x[a2l], pbc, r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2,
2940                           &sign2, &t12, &t22, &t32); /* 84 */
2941
2942         cos_phi2 = cos(phi2);
2943
2944         a2[0] = r2_ij[1]*r2_kj[2]-r2_ij[2]*r2_kj[1];
2945         a2[1] = r2_ij[2]*r2_kj[0]-r2_ij[0]*r2_kj[2];
2946         a2[2] = r2_ij[0]*r2_kj[1]-r2_ij[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2947
2948         b2[0] = r2_kl[1]*r2_kj[2]-r2_kl[2]*r2_kj[1];
2949         b2[1] = r2_kl[2]*r2_kj[0]-r2_kl[0]*r2_kj[2];
2950         b2[2] = r2_kl[0]*r2_kj[1]-r2_kl[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2951
2952         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2k], h2);
2953
2954         ra22  = iprod(a2, a2);         /* 5 */
2955         rb22  = iprod(b2, b2);         /* 5 */
2956         rg22  = iprod(r2_kj, r2_kj);   /* 5 */
2957         rg2   = sqrt(rg22);
2958
2959         rgr2  = 1.0/rg2;
2960         ra2r2 = 1.0/ra22;
2961         rb2r2 = 1.0/rb22;
2962         rabr2 = sqrt(ra2r2*rb2r2);
2963
2964         sin_phi2 = rg2 * rabr2 * iprod(a2, h2) * (-1);
2965
2966         if (cos_phi2 < -0.5 || cos_phi2 > 0.5)
2967         {
2968             phi2 = asin(sin_phi2);
2969
2970             if (cos_phi2 < 0)
2971             {
2972                 if (phi2 > 0)
2973                 {
2974                     phi2 = M_PI - phi2;
2975                 }
2976                 else
2977                 {
2978                     phi2 = -M_PI - phi2;
2979                 }
2980             }
2981         }
2982         else
2983         {
2984             phi2 = acos(cos_phi2);
2985
2986             if (sin_phi2 < 0)
2987             {
2988                 phi2 = -phi2;
2989             }
2990         }
2991
2992         xphi2 = phi2 + M_PI; /* 1 */
2993
2994         /* Range mangling */
2995         if (xphi1 < 0)
2996         {
2997             xphi1 = xphi1 + 2*M_PI;
2998         }
2999         else if (xphi1 >= 2*M_PI)
3000         {
3001             xphi1 = xphi1 - 2*M_PI;
3002         }
3003
3004         if (xphi2 < 0)
3005         {
3006             xphi2 = xphi2 + 2*M_PI;
3007         }
3008         else if (xphi2 >= 2*M_PI)
3009         {
3010             xphi2 = xphi2 - 2*M_PI;
3011         }
3012
3013         /* Number of grid points */
3014         dx = 2*M_PI / cmap_grid->grid_spacing;
3015
3016         /* Where on the grid are we */
3017         iphi1 = (int)(xphi1/dx);
3018         iphi2 = (int)(xphi2/dx);
3019
3020         iphi1 = cmap_setup_grid_index(iphi1, cmap_grid->grid_spacing, &ip1m1, &ip1p1, &ip1p2);
3021         iphi2 = cmap_setup_grid_index(iphi2, cmap_grid->grid_spacing, &ip2m1, &ip2p1, &ip2p2);
3022
3023         pos1    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3024         pos2    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3025         pos3    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3026         pos4    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3027
3028         ty[0]   = cmapd[pos1*4];
3029         ty[1]   = cmapd[pos2*4];
3030         ty[2]   = cmapd[pos3*4];
3031         ty[3]   = cmapd[pos4*4];
3032
3033         ty1[0]   = cmapd[pos1*4+1];
3034         ty1[1]   = cmapd[pos2*4+1];
3035         ty1[2]   = cmapd[pos3*4+1];
3036         ty1[3]   = cmapd[pos4*4+1];
3037
3038         ty2[0]   = cmapd[pos1*4+2];
3039         ty2[1]   = cmapd[pos2*4+2];
3040         ty2[2]   = cmapd[pos3*4+2];
3041         ty2[3]   = cmapd[pos4*4+2];
3042
3043         ty12[0]   = cmapd[pos1*4+3];
3044         ty12[1]   = cmapd[pos2*4+3];
3045         ty12[2]   = cmapd[pos3*4+3];
3046         ty12[3]   = cmapd[pos4*4+3];
3047
3048         /* Switch to degrees */
3049         dx    = 360.0 / cmap_grid->grid_spacing;
3050         xphi1 = xphi1 * RAD2DEG;
3051         xphi2 = xphi2 * RAD2DEG;
3052
3053         for (i = 0; i < 4; i++) /* 16 */
3054         {
3055             tx[i]    = ty[i];
3056             tx[i+4]  = ty1[i]*dx;
3057             tx[i+8]  = ty2[i]*dx;
3058             tx[i+12] = ty12[i]*dx*dx;
3059         }
3060
3061         idx = 0;
3062         for (i = 0; i < 4; i++) /* 1056 */
3063         {
3064             for (j = 0; j < 4; j++)
3065             {
3066                 xx = 0;
3067                 for (k = 0; k < 16; k++)
3068                 {
3069                     xx = xx + cmap_coeff_matrix[k*16+idx]*tx[k];
3070                 }
3071
3072                 idx++;
3073                 tc[i*4+j] = xx;
3074             }
3075         }
3076
3077         tt    = (xphi1-iphi1*dx)/dx;
3078         tu    = (xphi2-iphi2*dx)/dx;
3079
3080         e     = 0;
3081         df1   = 0;
3082         df2   = 0;
3083         ddf1  = 0;
3084         ddf2  = 0;
3085         ddf12 = 0;
3086
3087         for (i = 3; i >= 0; i--)
3088         {
3089             l1 = loop_index[i][3];
3090             l2 = loop_index[i][2];
3091             l3 = loop_index[i][1];
3092
3093             e     = tt * e    + ((tc[i*4+3]*tu+tc[i*4+2])*tu + tc[i*4+1])*tu+tc[i*4];
3094             df1   = tu * df1  + (3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2])*tt+tc[l3];
3095             df2   = tt * df2  + (3.0*tc[i*4+3]*tu+2.0*tc[i*4+2])*tu+tc[i*4+1];
3096             ddf1  = tu * ddf1 + 2.0*3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2];
3097             ddf2  = tt * ddf2 + 2.0*3.0*tc[4*i+3]*tu+2.0*tc[4*i+2];
3098         }
3099
3100         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) +
3101             3.0*tu*tu*(tc[7]+2.0*tc[11]*tt+3.0*tc[15]*tt*tt);
3102
3103         fac     = RAD2DEG/dx;
3104         df1     = df1   * fac;
3105         df2     = df2   * fac;
3106         ddf1    = ddf1  * fac * fac;
3107         ddf2    = ddf2  * fac * fac;
3108         ddf12   = ddf12 * fac * fac;
3109
3110         /* CMAP energy */
3111         vtot += e;
3112
3113         /* Do forces - first torsion */
3114         fg1       = iprod(r1_ij, r1_kj);
3115         hg1       = iprod(r1_kl, r1_kj);
3116         fga1      = fg1*ra2r1*rgr1;
3117         hgb1      = hg1*rb2r1*rgr1;
3118         gaa1      = -ra2r1*rg1;
3119         gbb1      = rb2r1*rg1;
3120
3121         for (i = 0; i < DIM; i++)
3122         {
3123             dtf1[i]   = gaa1 * a1[i];
3124             dtg1[i]   = fga1 * a1[i] - hgb1 * b1[i];
3125             dth1[i]   = gbb1 * b1[i];
3126
3127             f1[i]     = df1  * dtf1[i];
3128             g1[i]     = df1  * dtg1[i];
3129             h1[i]     = df1  * dth1[i];
3130
3131             f1_i[i]   =  f1[i];
3132             f1_j[i]   = -f1[i] - g1[i];
3133             f1_k[i]   =  h1[i] + g1[i];
3134             f1_l[i]   = -h1[i];
3135
3136             f[a1i][i] = f[a1i][i] + f1_i[i];
3137             f[a1j][i] = f[a1j][i] + f1_j[i]; /* - f1[i] - g1[i] */
3138             f[a1k][i] = f[a1k][i] + f1_k[i]; /* h1[i] + g1[i] */
3139             f[a1l][i] = f[a1l][i] + f1_l[i]; /* h1[i] */
3140         }
3141
3142         /* Do forces - second torsion */
3143         fg2       = iprod(r2_ij, r2_kj);
3144         hg2       = iprod(r2_kl, r2_kj);
3145         fga2      = fg2*ra2r2*rgr2;
3146         hgb2      = hg2*rb2r2*rgr2;
3147         gaa2      = -ra2r2*rg2;
3148         gbb2      = rb2r2*rg2;
3149
3150         for (i = 0; i < DIM; i++)
3151         {
3152             dtf2[i]   = gaa2 * a2[i];
3153             dtg2[i]   = fga2 * a2[i] - hgb2 * b2[i];
3154             dth2[i]   = gbb2 * b2[i];
3155
3156             f2[i]     = df2  * dtf2[i];
3157             g2[i]     = df2  * dtg2[i];
3158             h2[i]     = df2  * dth2[i];
3159
3160             f2_i[i]   =  f2[i];
3161             f2_j[i]   = -f2[i] - g2[i];
3162             f2_k[i]   =  h2[i] + g2[i];
3163             f2_l[i]   = -h2[i];
3164
3165             f[a2i][i] = f[a2i][i] + f2_i[i]; /* f2[i] */
3166             f[a2j][i] = f[a2j][i] + f2_j[i]; /* - f2[i] - g2[i] */
3167             f[a2k][i] = f[a2k][i] + f2_k[i]; /* h2[i] + g2[i] */
3168             f[a2l][i] = f[a2l][i] + f2_l[i]; /* - h2[i] */
3169         }
3170
3171         /* Shift forces */
3172         if (g)
3173         {
3174             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a1j), jt1);
3175             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1i),  jt1, dt1_ij);
3176             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1k),  jt1, dt1_kj);
3177             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1l),  jt1, dt1_lj);
3178             t11 = IVEC2IS(dt1_ij);
3179             t21 = IVEC2IS(dt1_kj);
3180             t31 = IVEC2IS(dt1_lj);
3181
3182             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a2j), jt2);
3183             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2i),  jt2, dt2_ij);
3184             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2k),  jt2, dt2_kj);
3185             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2l),  jt2, dt2_lj);
3186             t12 = IVEC2IS(dt2_ij);
3187             t22 = IVEC2IS(dt2_kj);
3188             t32 = IVEC2IS(dt2_lj);
3189         }
3190         else if (pbc)
3191         {
3192             t31 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1j], h1);
3193             t32 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2j], h2);
3194         }
3195         else
3196         {
3197             t31 = CENTRAL;
3198             t32 = CENTRAL;
3199         }
3200
3201         rvec_inc(fshift[t11], f1_i);
3202         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f1_j);
3203         rvec_inc(fshift[t21], f1_k);
3204         rvec_inc(fshift[t31], f1_l);
3205
3206         rvec_inc(fshift[t21], f2_i);
3207         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f2_j);
3208         rvec_inc(fshift[t22], f2_k);
3209         rvec_inc(fshift[t32], f2_l);
3210     }
3211     return vtot;
3212 }
3213
3214
3215
3216 /***********************************************************
3217  *
3218  *   G R O M O S  9 6   F U N C T I O N S
3219  *
3220  ***********************************************************/
3221 real g96harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
3222                  real *V, real *F)
3223 {
3224     const real half = 0.5;
3225     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
3226     real       v, f, dvdlambda;
3227
3228     L1    = 1.0-lambda;
3229     kk    = L1*kA+lambda*kB;
3230     x0    = L1*xA+lambda*xB;
3231
3232     dx    = x-x0;
3233     dx2   = dx*dx;
3234
3235     f          = -kk*dx;
3236     v          = half*kk*dx2;
3237     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
3238
3239     *F    = f;
3240     *V    = v;
3241
3242     return dvdlambda;
3243
3244     /* That was 21 flops */
3245 }
3246
3247 real g96bonds(int nbonds,
3248               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3249               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3250               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3251               real lambda, real *dvdlambda,
3252               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3253               int gmx_unused *global_atom_index)
3254 {
3255     int  i, m, ki, ai, aj, type;
3256     real dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3257     rvec dx;
3258     ivec dt;
3259
3260     vtot = 0.0;
3261     for (i = 0; (i < nbonds); )
3262     {
3263         type = forceatoms[i++];
3264         ai   = forceatoms[i++];
3265         aj   = forceatoms[i++];
3266
3267         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3268         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3269
3270         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3271                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3272                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3273                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3274                                   dr2, lambda, &vbond, &fbond);
3275
3276         vtot  += 0.5*vbond;                         /* 1*/
3277 #ifdef DEBUG
3278         if (debug)
3279         {
3280             fprintf(debug, "G96-BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3281                     sqrt(dr2), vbond, fbond);
3282         }
3283 #endif
3284
3285         if (g)
3286         {
3287             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3288             ki = IVEC2IS(dt);
3289         }
3290         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3291         {
3292             fij                 = fbond*dx[m];
3293             f[ai][m]           += fij;
3294             f[aj][m]           -= fij;
3295             fshift[ki][m]      += fij;
3296             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3297         }
3298     }               /* 44 TOTAL */
3299     return vtot;
3300 }
3301
3302 real g96bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
3303                    rvec r_ij, rvec r_kj,
3304                    int *t1, int *t2)
3305 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
3306 {
3307     real costh;
3308
3309     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
3310     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
3311
3312     costh = cos_angle(r_ij, r_kj);         /* 25                */
3313     /* 41 TOTAL */
3314     return costh;
3315 }
3316
3317 real g96angles(int nbonds,
3318                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3319                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3320                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3321                real lambda, real *dvdlambda,
3322                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3323                int gmx_unused *global_atom_index)
3324 {
3325     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3326     rvec r_ij, r_kj;
3327     real cos_theta, dVdt, va, vtot;
3328     real rij_1, rij_2, rkj_1, rkj_2, rijrkj_1;
3329     rvec f_i, f_j, f_k;
3330     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3331
3332     vtot = 0.0;
3333     for (i = 0; (i < nbonds); )
3334     {
3335         type = forceatoms[i++];
3336         ai   = forceatoms[i++];
3337         aj   = forceatoms[i++];
3338         ak   = forceatoms[i++];
3339
3340         cos_theta  = g96bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc, r_ij, r_kj, &t1, &t2);
3341
3342         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3343                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3344                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3345                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3346                                   cos_theta, lambda, &va, &dVdt);
3347         vtot    += va;
3348
3349         rij_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_ij, r_ij));
3350         rkj_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_kj, r_kj));
3351         rij_2    = rij_1*rij_1;
3352         rkj_2    = rkj_1*rkj_1;
3353         rijrkj_1 = rij_1*rkj_1;                 /* 23 */
3354
3355 #ifdef DEBUG
3356         if (debug)
3357         {
3358             fprintf(debug, "G96ANGLES: costheta = %10g  vth = %10g  dV/dct = %10g\n",
3359                     cos_theta, va, dVdt);
3360         }
3361 #endif
3362         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  42  */
3363         {
3364             f_i[m]    = dVdt*(r_kj[m]*rijrkj_1 - r_ij[m]*rij_2*cos_theta);
3365             f_k[m]    = dVdt*(r_ij[m]*rijrkj_1 - r_kj[m]*rkj_2*cos_theta);
3366             f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3367             f[ai][m] += f_i[m];
3368             f[aj][m] += f_j[m];
3369             f[ak][m] += f_k[m];
3370         }
3371
3372         if (g)
3373         {
3374             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3375
3376             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3377             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3378             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3379             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3380         }
3381         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3382         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3383         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3384         /* 163 TOTAL    */
3385     }
3386     return vtot;
3387 }
3388
3389 real cross_bond_bond(int nbonds,
3390                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3391                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3392                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3393                      real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3394                      const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused  *fcd,
3395                      int gmx_unused *global_atom_index)
3396 {
3397     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3398      * pp. 842-847
3399      */
3400     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3401     rvec r_ij, r_kj;
3402     real vtot, vrr, s1, s2, r1, r2, r1e, r2e, krr;
3403     rvec f_i, f_j, f_k;
3404     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3405
3406     vtot = 0.0;
3407     for (i = 0; (i < nbonds); )
3408     {
3409         type = forceatoms[i++];
3410         ai   = forceatoms[i++];
3411         aj   = forceatoms[i++];
3412         ak   = forceatoms[i++];
3413         r1e  = forceparams[type].cross_bb.r1e;
3414         r2e  = forceparams[type].cross_bb.r2e;
3415         krr  = forceparams[type].cross_bb.krr;
3416
3417         /* Compute distance vectors ... */
3418         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3419         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3420
3421         /* ... and their lengths */
3422         r1 = norm(r_ij);
3423         r2 = norm(r_kj);
3424
3425         /* Deviations from ideality */
3426         s1 = r1-r1e;
3427         s2 = r2-r2e;
3428
3429         /* Energy (can be negative!) */
3430         vrr   = krr*s1*s2;
3431         vtot += vrr;
3432
3433         /* Forces */
3434         svmul(-krr*s2/r1, r_ij, f_i);
3435         svmul(-krr*s1/r2, r_kj, f_k);
3436
3437         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3438         {
3439             f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
3440             f[ai][m] += f_i[m];
3441             f[aj][m] += f_j[m];
3442             f[ak][m] += f_k[m];
3443         }
3444
3445         /* Virial stuff */
3446         if (g)
3447         {
3448             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3449
3450             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3451             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3452             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3453             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3454         }
3455         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3456         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3457         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3458         /* 163 TOTAL    */
3459     }
3460     return vtot;
3461 }
3462
3463 real cross_bond_angle(int nbonds,
3464                       const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3465                       const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3466                       const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3467                       real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3468                       const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3469                       int gmx_unused *global_atom_index)
3470 {
3471     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3472      * pp. 842-847
3473      */
3474     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2, t3;
3475     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
3476     real vtot, vrt, s1, s2, s3, r1, r2, r3, r1e, r2e, r3e, krt, k1, k2, k3;
3477     rvec f_i, f_j, f_k;
3478     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3479
3480     vtot = 0.0;
3481     for (i = 0; (i < nbonds); )
3482     {
3483         type = forceatoms[i++];
3484         ai   = forceatoms[i++];
3485         aj   = forceatoms[i++];
3486         ak   = forceatoms[i++];
3487         r1e  = forceparams[type].cross_ba.r1e;
3488         r2e  = forceparams[type].cross_ba.r2e;
3489         r3e  = forceparams[type].cross_ba.r3e;
3490         krt  = forceparams[type].cross_ba.krt;
3491
3492         /* Compute distance vectors ... */
3493         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3494         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3495         t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);
3496
3497         /* ... and their lengths */
3498         r1 = norm(r_ij);
3499         r2 = norm(r_kj);
3500         r3 = norm(r_ik);
3501
3502         /* Deviations from ideality */
3503         s1 = r1-r1e;
3504         s2 = r2-r2e;
3505         s3 = r3-r3e;
3506
3507         /* Energy (can be negative!) */
3508         vrt   = krt*s3*(s1+s2);
3509         vtot += vrt;
3510
3511         /* Forces */
3512         k1 = -krt*(s3/r1);
3513         k2 = -krt*(s3/r2);
3514         k3 = -krt*(s1+s2)/r3;
3515         for (m = 0; (m < DIM); m++)
3516         {
3517             f_i[m] = k1*r_ij[m] + k3*r_ik[m];
3518             f_k[m] = k2*r_kj[m] - k3*r_ik[m];
3519             f_j[m] = -f_i[m] - f_k[m];
3520         }
3521
3522         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3523         {
3524             f[ai][m] += f_i[m];
3525             f[aj][m] += f_j[m];
3526             f[ak][m] += f_k[m];
3527         }
3528
3529         /* Virial stuff */
3530         if (g)
3531         {
3532             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3533
3534             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3535             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3536             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3537             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3538         }
3539         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3540         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3541         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3542         /* 163 TOTAL    */
3543     }
3544     return vtot;
3545 }
3546
3547 static real bonded_tab(const char *type, int table_nr,
3548                        const bondedtable_t *table, real kA, real kB, real r,
3549                        real lambda, real *V, real *F)
3550 {
3551     real k, tabscale, *VFtab, rt, eps, eps2, Yt, Ft, Geps, Heps2, Fp, VV, FF;
3552     int  n0, nnn;
3553     real v, f, dvdlambda;
3554
3555     k = (1.0 - lambda)*kA + lambda*kB;
3556
3557     tabscale = table->scale;
3558     VFtab    = table->data;
3559
3560     rt    = r*tabscale;
3561     n0    = rt;
3562     if (n0 >= table->n)
3563     {
3564         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",
3565                   type, table_nr, r, n0, n0+1, table->n);
3566     }
3567     eps   = rt - n0;
3568     eps2  = eps*eps;
3569     nnn   = 4*n0;
3570     Yt    = VFtab[nnn];
3571     Ft    = VFtab[nnn+1];
3572     Geps  = VFtab[nnn+2]*eps;
3573     Heps2 = VFtab[nnn+3]*eps2;
3574     Fp    = Ft + Geps + Heps2;
3575     VV    = Yt + Fp*eps;
3576     FF    = Fp + Geps + 2.0*Heps2;
3577
3578     *F         = -k*FF*tabscale;
3579     *V         = k*VV;
3580     dvdlambda  = (kB - kA)*VV;
3581
3582     return dvdlambda;
3583
3584     /* That was 22 flops */
3585 }
3586
3587 real tab_bonds(int nbonds,
3588                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3589                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3590                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3591                real lambda, real *dvdlambda,
3592                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
3593                int gmx_unused  *global_atom_index)
3594 {
3595     int  i, m, ki, ai, aj, type, table;
3596     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3597     rvec dx;
3598     ivec dt;
3599
3600     vtot = 0.0;
3601     for (i = 0; (i < nbonds); )
3602     {
3603         type = forceatoms[i++];
3604         ai   = forceatoms[i++];
3605         aj   = forceatoms[i++];
3606
3607         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3608         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3609         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
3610
3611         table = forceparams[type].tab.table;
3612
3613         *dvdlambda += bonded_tab("bond", table,
3614                                  &fcd->bondtab[table],
3615                                  forceparams[type].tab.kA,
3616                                  forceparams[type].tab.kB,
3617                                  dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  22 */
3618
3619         if (dr2 == 0.0)
3620         {
3621             continue;
3622         }
3623
3624
3625         vtot  += vbond;            /* 1*/
3626         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
3627 #ifdef DEBUG
3628         if (debug)
3629         {
3630             fprintf(debug, "TABBONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3631                     dr, vbond, fbond);
3632         }
3633 #endif
3634         if (g)
3635         {
3636             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3637             ki = IVEC2IS(dt);
3638         }
3639         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3640         {
3641             fij                 = fbond*dx[m];
3642             f[ai][m]           += fij;
3643             f[aj][m]           -= fij;
3644             fshift[ki][m]      += fij;
3645             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3646         }
3647     }               /* 62 TOTAL */
3648     return vtot;
3649 }
3650
3651 real tab_angles(int nbonds,
3652                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3653                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3654                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3655                 real lambda, real *dvdlambda,
3656                 const t_mdatoms gmx_unused  *md, t_fcdata *fcd,
3657                 int gmx_unused *global_atom_index)
3658 {
3659     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type, table;
3660     rvec r_ij, r_kj;
3661     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
3662     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3663
3664     vtot = 0.0;
3665     for (i = 0; (i < nbonds); )
3666     {
3667         type = forceatoms[i++];
3668         ai   = forceatoms[i++];
3669         aj   = forceatoms[i++];
3670         ak   = forceatoms[i++];
3671
3672         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
3673                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
3674
3675         table = forceparams[type].tab.table;
3676
3677         *dvdlambda += bonded_tab("angle", table,
3678                                  &fcd->angletab[table],
3679                                  forceparams[type].tab.kA,
3680                                  forceparams[type].tab.kB,
3681                                  theta, lambda, &va, &dVdt); /*  22  */
3682         vtot += va;
3683
3684         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
3685         if (cos_theta2 < 1)
3686         {
3687             int  m;
3688             real snt, st, sth;
3689             real cik, cii, ckk;
3690             real nrkj2, nrij2;
3691             rvec f_i, f_j, f_k;
3692
3693             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
3694             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
3695 #ifdef DEBUG
3696             if (debug)
3697             {
3698                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
3699                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
3700             }
3701 #endif
3702             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
3703             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
3704
3705             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
3706             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
3707             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
3708
3709             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
3710             {
3711                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
3712                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
3713                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3714                 f[ai][m] += f_i[m];
3715                 f[aj][m] += f_j[m];
3716                 f[ak][m] += f_k[m];
3717             }
3718             if (g)
3719             {
3720                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3721
3722                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3723                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3724                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3725                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3726             }
3727             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3728             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3729             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
3730         }                                       /* 169 TOTAL    */
3731     }
3732     return vtot;
3733 }
3734
3735 real tab_dihs(int nbonds,
3736               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3737               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3738               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3739               real lambda, real *dvdlambda,
3740               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
3741               int gmx_unused *global_atom_index)
3742 {
3743     int  i, type, ai, aj, ak, al, table;
3744     int  t1, t2, t3;
3745     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
3746     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
3747
3748     vtot = 0.0;
3749     for (i = 0; (i < nbonds); )
3750     {
3751         type = forceatoms[i++];
3752         ai   = forceatoms[i++];
3753         aj   = forceatoms[i++];
3754         ak   = forceatoms[i++];
3755         al   = forceatoms[i++];
3756
3757         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3758                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84  */
3759
3760         table = forceparams[type].tab.table;
3761
3762         /* Hopefully phi+M_PI never results in values < 0 */
3763         *dvdlambda += bonded_tab("dihedral", table,
3764                                  &fcd->dihtab[table],
3765                                  forceparams[type].tab.kA,
3766                                  forceparams[type].tab.kB,
3767                                  phi+M_PI, lambda, &vpd, &ddphi);
3768
3769         vtot += vpd;
3770         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, -ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3771                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112    */
3772
3773 #ifdef DEBUG
3774         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
3775                 ai, aj, ak, al, phi);
3776 #endif
3777     } /* 227 TOTAL  */
3778
3779     return vtot;
3780 }
3781
3782 /* Return if this is a potential calculated in bondfree.c,
3783  * i.e. an interaction that actually calculates a potential and
3784  * works on multiple atoms (not e.g. a connection or a position restraint).
3785  */
3786 static gmx_inline gmx_bool ftype_is_bonded_potential(int ftype)
3787 {
3788     return
3789         (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
3790         !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES || ftype == F_FBPOSRES) &&
3791         (ftype < F_GB12 || ftype > F_GB14);
3792 }
3793
3794 static void divide_bondeds_over_threads(t_idef *idef, int nthreads)
3795 {
3796     int ftype;
3797     int nat1;
3798     int t;
3799     int il_nr_thread;
3800
3801     idef->nthreads = nthreads;
3802
3803     if (F_NRE*(nthreads+1) > idef->il_thread_division_nalloc)
3804     {
3805         idef->il_thread_division_nalloc = F_NRE*(nthreads+1);
3806         snew(idef->il_thread_division, idef->il_thread_division_nalloc);
3807     }
3808
3809     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
3810     {
3811         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
3812         {
3813             nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3814
3815             for (t = 0; t <= nthreads; t++)
3816             {
3817                 /* Divide the interactions equally over the threads.
3818                  * When the different types of bonded interactions
3819                  * are distributed roughly equally over the threads,
3820                  * this should lead to well localized output into
3821                  * the force buffer on each thread.
3822                  * If this is not the case, a more advanced scheme
3823                  * (not implemented yet) will do better.
3824                  */
3825                 il_nr_thread = (((idef->il[ftype].nr/nat1)*t)/nthreads)*nat1;
3826
3827                 /* Ensure that distance restraint pairs with the same label
3828                  * end up on the same thread.
3829                  * This is slighlty tricky code, since the next for iteration
3830                  * may have an initial il_nr_thread lower than the final value
3831                  * in the previous iteration, but this will anyhow be increased
3832                  * to the approriate value again by this while loop.
3833                  */
3834                 while (ftype == F_DISRES &&
3835                        il_nr_thread > 0 &&
3836                        il_nr_thread < idef->il[ftype].nr &&
3837                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread]].disres.label ==
3838                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread-nat1]].disres.label)
3839                 {
3840                     il_nr_thread += nat1;
3841                 }
3842
3843                 idef->il_thread_division[ftype*(nthreads+1)+t] = il_nr_thread;
3844             }
3845         }
3846     }
3847 }
3848
3849 static unsigned
3850 calc_bonded_reduction_mask(const t_idef *idef,
3851                            int shift,
3852                            int t, int nt)
3853 {
3854     unsigned mask;
3855     int      ftype, nb, nat1, nb0, nb1, i, a;
3856
3857     mask = 0;
3858
3859     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
3860     {
3861         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
3862         {
3863             nb = idef->il[ftype].nr;
3864             if (nb > 0)
3865             {
3866                 nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3867
3868                 /* Divide this interaction equally over the threads.
3869                  * This is not stored: should match division in calc_bonds.
3870                  */
3871                 nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t];
3872                 nb1 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t+1];
3873
3874                 for (i = nb0; i < nb1; i += nat1)
3875                 {
3876                     for (a = 1; a < nat1; a++)
3877                     {
3878                         mask |= (1U << (idef->il[ftype].iatoms[i+a]>>shift));
3879                     }
3880                 }
3881             }
3882         }
3883     }
3884
3885     return mask;
3886 }
3887
3888 void setup_bonded_threading(t_forcerec   *fr, t_idef *idef)
3889 {
3890 #define MAX_BLOCK_BITS 32
3891     int t;
3892     int ctot, c, b;
3893
3894     assert(fr->nthreads >= 1);
3895
3896     /* Divide the bonded interaction over the threads */
3897     divide_bondeds_over_threads(idef, fr->nthreads);
3898
3899     if (fr->nthreads == 1)
3900     {
3901         fr->red_nblock = 0;
3902
3903         return;
3904     }
3905
3906     /* We divide the force array in a maximum of 32 blocks.
3907      * Minimum force block reduction size is 2^6=64.
3908      */
3909     fr->red_ashift = 6;
3910     while (fr->natoms_force > (int)(MAX_BLOCK_BITS*(1U<<fr->red_ashift)))
3911     {
3912         fr->red_ashift++;
3913     }
3914     if (debug)
3915     {
3916         fprintf(debug, "bonded force buffer block atom shift %d bits\n",
3917                 fr->red_ashift);
3918     }
3919
3920     /* Determine to which blocks each thread's bonded force calculation
3921      * contributes. Store this is a mask for each thread.
3922      */
3923 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
3924     for (t = 1; t < fr->nthreads; t++)
3925     {
3926         fr->f_t[t].red_mask =
3927             calc_bonded_reduction_mask(idef, fr->red_ashift, t, fr->nthreads);
3928     }
3929
3930     /* Determine the maximum number of blocks we need to reduce over */
3931     fr->red_nblock = 0;
3932     ctot           = 0;
3933     for (t = 0; t < fr->nthreads; t++)
3934     {
3935         c = 0;
3936         for (b = 0; b < MAX_BLOCK_BITS; b++)
3937         {
3938             if (fr->f_t[t].red_mask & (1U<<b))
3939             {
3940                 fr->red_nblock = max(fr->red_nblock, b+1);
3941                 c++;
3942             }
3943         }
3944         if (debug)
3945         {
3946             fprintf(debug, "thread %d flags %x count %d\n",
3947                     t, fr->f_t[t].red_mask, c);
3948         }
3949         ctot += c;
3950     }
3951     if (debug)
3952     {
3953         fprintf(debug, "Number of blocks to reduce: %d of size %d\n",
3954                 fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
3955         fprintf(debug, "Reduction density %.2f density/#thread %.2f\n",
3956                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)fr->natoms_force,
3957                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)(fr->natoms_force*fr->nthreads));
3958     }
3959 }
3960
3961 static void zero_thread_forces(f_thread_t *f_t, int n,
3962                                int nblock, int blocksize)
3963 {
3964     int b, a0, a1, a, i, j;
3965
3966     if (n > f_t->f_nalloc)
3967     {
3968         f_t->f_nalloc = over_alloc_large(n);
3969         srenew(f_t->f, f_t->f_nalloc);
3970     }
3971
3972     if (f_t->red_mask != 0)
3973     {
3974         for (b = 0; b < nblock; b++)
3975         {
3976             if (f_t->red_mask && (1U<<b))
3977             {
3978                 a0 = b*blocksize;
3979                 a1 = min((b+1)*blocksize, n);
3980                 for (a = a0; a < a1; a++)
3981                 {
3982                     clear_rvec(f_t->f[a]);
3983                 }
3984             }
3985         }
3986     }
3987     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
3988     {
3989         clear_rvec(f_t->fshift[i]);
3990     }
3991     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
3992     {
3993         f_t->ener[i] = 0;
3994     }
3995     for (i = 0; i < egNR; i++)
3996     {
3997         for (j = 0; j < f_t->grpp.nener; j++)
3998         {
3999             f_t->grpp.ener[i][j] = 0;
4000         }
4001     }
4002     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4003     {
4004         f_t->dvdl[i] = 0;
4005     }
4006 }
4007
4008 static void reduce_thread_force_buffer(int n, rvec *f,
4009                                        int nthreads, f_thread_t *f_t,
4010                                        int nblock, int block_size)
4011 {
4012     /* The max thread number is arbitrary,
4013      * we used a fixed number to avoid memory management.
4014      * Using more than 16 threads is probably never useful performance wise.
4015      */
4016 #define MAX_BONDED_THREADS 256
4017     int b;
4018
4019     if (nthreads > MAX_BONDED_THREADS)
4020     {
4021         gmx_fatal(FARGS, "Can not reduce bonded forces on more than %d threads",
4022                   MAX_BONDED_THREADS);
4023     }
4024
4025     /* This reduction can run on any number of threads,
4026      * independently of nthreads.
4027      */
4028 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
4029     for (b = 0; b < nblock; b++)
4030     {
4031         rvec *fp[MAX_BONDED_THREADS];
4032         int   nfb, ft, fb;
4033         int   a0, a1, a;
4034
4035         /* Determine which threads contribute to this block */
4036         nfb = 0;
4037         for (ft = 1; ft < nthreads; ft++)
4038         {
4039             if (f_t[ft].red_mask & (1U<<b))
4040             {
4041                 fp[nfb++] = f_t[ft].f;
4042             }
4043         }
4044         if (nfb > 0)
4045         {
4046             /* Reduce force buffers for threads that contribute */
4047             a0 =  b   *block_size;
4048             a1 = (b+1)*block_size;
4049             a1 = min(a1, n);
4050             for (a = a0; a < a1; a++)
4051             {
4052                 for (fb = 0; fb < nfb; fb++)
4053                 {
4054                     rvec_inc(f[a], fp[fb][a]);
4055                 }
4056             }
4057         }
4058     }
4059 }
4060
4061 static void reduce_thread_forces(int n, rvec *f, rvec *fshift,
4062                                  real *ener, gmx_grppairener_t *grpp, real *dvdl,
4063                                  int nthreads, f_thread_t *f_t,
4064                                  int nblock, int block_size,
4065                                  gmx_bool bCalcEnerVir,
4066                                  gmx_bool bDHDL)
4067 {
4068     if (nblock > 0)
4069     {
4070         /* Reduce the bonded force buffer */
4071         reduce_thread_force_buffer(n, f, nthreads, f_t, nblock, block_size);
4072     }
4073
4074     /* When necessary, reduce energy and virial using one thread only */
4075     if (bCalcEnerVir)
4076     {
4077         int t, i, j;
4078
4079         for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
4080         {
4081             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4082             {
4083                 rvec_inc(fshift[i], f_t[t].fshift[i]);
4084             }
4085         }
4086         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
4087         {
4088             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4089             {
4090                 ener[i] += f_t[t].ener[i];
4091             }
4092         }
4093         for (i = 0; i < egNR; i++)
4094         {
4095             for (j = 0; j < f_t[1].grpp.nener; j++)
4096             {
4097                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4098                 {
4099
4100                     grpp->ener[i][j] += f_t[t].grpp.ener[i][j];
4101                 }
4102             }
4103         }
4104         if (bDHDL)
4105         {
4106             for (i = 0; i < efptNR; i++)
4107             {
4108
4109                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4110                 {
4111                     dvdl[i] += f_t[t].dvdl[i];
4112                 }
4113             }
4114         }
4115     }
4116 }
4117
4118 static real calc_one_bond(FILE *fplog, int thread,
4119                           int ftype, const t_idef *idef,
4120                           rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4121                           t_forcerec *fr,
4122                           const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4123                           gmx_grppairener_t *grpp,
4124                           t_nrnb *nrnb,
4125                           real *lambda, real *dvdl,
4126                           const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
4127                           gmx_bool bCalcEnerVir,
4128                           int *global_atom_index, gmx_bool bPrintSepPot)
4129 {
4130     int      nat1, nbonds, efptFTYPE;
4131     real     v = 0;
4132     t_iatom *iatoms;
4133     int      nb0, nbn;
4134
4135     if (IS_RESTRAINT_TYPE(ftype))
4136     {
4137         efptFTYPE = efptRESTRAINT;
4138     }
4139     else
4140     {
4141         efptFTYPE = efptBONDED;
4142     }
4143
4144     nat1      = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
4145     nbonds    = idef->il[ftype].nr/nat1;
4146     iatoms    = idef->il[ftype].iatoms;
4147
4148     nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread];
4149     nbn = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread+1] - nb0;
4150
4151     if (!IS_LISTED_LJ_C(ftype))
4152     {
4153         if (ftype == F_CMAP)
4154         {
4155             v = cmap_dihs(nbn, iatoms+nb0,
4156                           idef->iparams, &idef->cmap_grid,
4157                           (const rvec*)x, f, fshift,
4158                           pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4159                           md, fcd, global_atom_index);
4160         }
4161 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
4162         else if (ftype == F_ANGLES &&
4163                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4164         {
4165             /* No energies, shift forces, dvdl */
4166             angles_noener_simd(nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4167                                idef->iparams,
4168                                (const rvec*)x, f,
4169                                pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4170                                global_atom_index);
4171             v = 0;
4172         }
4173 #endif
4174         else if (ftype == F_PDIHS &&
4175                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4176         {
4177             /* No energies, shift forces, dvdl */
4178 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
4179             pdihs_noener_simd
4180 #else
4181             pdihs_noener
4182 #endif
4183                 (nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4184                 idef->iparams,
4185                 (const rvec*)x, f,
4186                 pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4187                 global_atom_index);
4188             v = 0;
4189         }
4190         else
4191         {
4192             v = interaction_function[ftype].ifunc(nbn, iatoms+nb0,
4193                                                   idef->iparams,
4194                                                   (const rvec*)x, f, fshift,
4195                                                   pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4196                                                   md, fcd, global_atom_index);
4197         }
4198         if (bPrintSepPot)
4199         {
4200             fprintf(fplog, "  %-23s #%4d  V %12.5e  dVdl %12.5e\n",
4201                     interaction_function[ftype].longname,
4202                     nbonds, v, lambda[efptFTYPE]);
4203         }
4204     }
4205     else
4206     {
4207         v = do_nonbonded_listed(ftype, nbn, iatoms+nb0, idef->iparams, (const rvec*)x, f, fshift,
4208                                 pbc, g, lambda, dvdl, md, fr, grpp, global_atom_index);
4209
4210         if (bPrintSepPot)
4211         {
4212             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4213                     interaction_function[ftype].longname,
4214                     interaction_function[F_LJ14].longname, nbonds, dvdl[efptVDW]);
4215             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4216                     interaction_function[ftype].longname,
4217                     interaction_function[F_COUL14].longname, nbonds, dvdl[efptCOUL]);
4218         }
4219     }
4220
4221     if (thread == 0)
4222     {
4223         inc_nrnb(nrnb, interaction_function[ftype].nrnb_ind, nbonds);
4224     }
4225
4226     return v;
4227 }
4228
4229 void calc_bonds(FILE *fplog, const gmx_multisim_t *ms,
4230                 const t_idef *idef,
4231                 rvec x[], history_t *hist,
4232                 rvec f[], t_forcerec *fr,
4233                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4234                 gmx_enerdata_t *enerd, t_nrnb *nrnb,
4235                 real *lambda,
4236                 const t_mdatoms *md,
4237                 t_fcdata *fcd, int *global_atom_index,
4238                 t_atomtypes gmx_unused *atype, gmx_genborn_t gmx_unused *born,
4239                 int force_flags,
4240                 gmx_bool bPrintSepPot, gmx_int64_t step)
4241 {
4242     gmx_bool      bCalcEnerVir;
4243     int           i;
4244     real          v, dvdl[efptNR], dvdl_dum[efptNR]; /* The dummy array is to have a place to store the dhdl at other values
4245                                                         of lambda, which will be thrown away in the end*/
4246     const  t_pbc *pbc_null;
4247     char          buf[22];
4248     int           thread;
4249
4250     assert(fr->nthreads == idef->nthreads);
4251
4252     bCalcEnerVir = (force_flags & (GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY));
4253
4254     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4255     {
4256         dvdl[i] = 0.0;
4257     }
4258     if (fr->bMolPBC)
4259     {
4260         pbc_null = pbc;
4261     }
4262     else
4263     {
4264         pbc_null = NULL;
4265     }
4266     if (bPrintSepPot)
4267     {
4268         fprintf(fplog, "Step %s: bonded V and dVdl for this node\n",
4269                 gmx_step_str(step, buf));
4270     }
4271
4272 #ifdef DEBUG
4273     if (g && debug)
4274     {
4275         p_graph(debug, "Bondage is fun", g);
4276     }
4277 #endif
4278
4279     /* Do pre force calculation stuff which might require communication */
4280     if (idef->il[F_ORIRES].nr)
4281     {
4282         enerd->term[F_ORIRESDEV] =
4283             calc_orires_dev(ms, idef->il[F_ORIRES].nr,
4284                             idef->il[F_ORIRES].iatoms,
4285                             idef->iparams, md, (const rvec*)x,
4286                             pbc_null, fcd, hist);
4287     }
4288     if (idef->il[F_DISRES].nr)
4289     {
4290         calc_disres_R_6(idef->il[F_DISRES].nr,
4291                         idef->il[F_DISRES].iatoms,
4292                         idef->iparams, (const rvec*)x, pbc_null,
4293                         fcd, hist);
4294 #ifdef GMX_MPI
4295         if (fcd->disres.nsystems > 1)
4296         {
4297             gmx_sum_sim(2*fcd->disres.nres, fcd->disres.Rt_6, ms);
4298         }
4299 #endif
4300     }
4301
4302 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
4303     for (thread = 0; thread < fr->nthreads; thread++)
4304     {
4305         int                ftype;
4306         real              *epot, v;
4307         /* thread stuff */
4308         rvec              *ft, *fshift;
4309         real              *dvdlt;
4310         gmx_grppairener_t *grpp;
4311
4312         if (thread == 0)
4313         {
4314             ft     = f;
4315             fshift = fr->fshift;
4316             epot   = enerd->term;
4317             grpp   = &enerd->grpp;
4318             dvdlt  = dvdl;
4319         }
4320         else
4321         {
4322             zero_thread_forces(&fr->f_t[thread], fr->natoms_force,
4323                                fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
4324
4325             ft     = fr->f_t[thread].f;
4326             fshift = fr->f_t[thread].fshift;
4327             epot   = fr->f_t[thread].ener;
4328             grpp   = &fr->f_t[thread].grpp;
4329             dvdlt  = fr->f_t[thread].dvdl;
4330         }
4331         /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded forces */
4332         for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4333         {
4334             if (idef->il[ftype].nr > 0 && ftype_is_bonded_potential(ftype))
4335             {
4336                 v = calc_one_bond(fplog, thread, ftype, idef, x,
4337                                   ft, fshift, fr, pbc_null, g, grpp,
4338                                   nrnb, lambda, dvdlt,
4339                                   md, fcd, bCalcEnerVir,
4340                                   global_atom_index, bPrintSepPot);
4341                 epot[ftype] += v;
4342             }
4343         }
4344     }
4345     if (fr->nthreads > 1)
4346     {
4347         reduce_thread_forces(fr->natoms_force, f, fr->fshift,
4348                              enerd->term, &enerd->grpp, dvdl,
4349                              fr->nthreads, fr->f_t,
4350                              fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift,
4351                              bCalcEnerVir,
4352                              force_flags & GMX_FORCE_DHDL);
4353     }
4354     if (force_flags & GMX_FORCE_DHDL)
4355     {
4356         for (i = 0; i < efptNR; i++)
4357         {
4358             enerd->dvdl_nonlin[i] += dvdl[i];
4359         }
4360     }
4361
4362     /* Copy the sum of violations for the distance restraints from fcd */
4363     if (fcd)
4364     {
4365         enerd->term[F_DISRESVIOL] = fcd->disres.sumviol;
4366
4367     }
4368 }
4369
4370 void calc_bonds_lambda(FILE *fplog,
4371                        const t_idef *idef,
4372                        rvec x[],
4373                        t_forcerec *fr,
4374                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4375                        gmx_grppairener_t *grpp, real *epot, t_nrnb *nrnb,
4376                        real *lambda,
4377                        const t_mdatoms *md,
4378                        t_fcdata *fcd,
4379                        int *global_atom_index)
4380 {
4381     int           i, ftype, nr_nonperturbed, nr;
4382     real          v;
4383     real          dvdl_dum[efptNR];
4384     rvec         *f, *fshift;
4385     const  t_pbc *pbc_null;
4386     t_idef        idef_fe;
4387
4388     if (fr->bMolPBC)
4389     {
4390         pbc_null = pbc;
4391     }
4392     else
4393     {
4394         pbc_null = NULL;
4395     }
4396
4397     /* Copy the whole idef, so we can modify the contents locally */
4398     idef_fe          = *idef;
4399     idef_fe.nthreads = 1;
4400     snew(idef_fe.il_thread_division, F_NRE*(idef_fe.nthreads+1));
4401
4402     /* We already have the forces, so we use temp buffers here */
4403     snew(f, fr->natoms_force);
4404     snew(fshift, SHIFTS);
4405
4406     /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded energies */
4407     for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4408     {
4409         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
4410         {
4411             /* Set the work range of thread 0 to the perturbed bondeds only */
4412             nr_nonperturbed                       = idef->il[ftype].nr_nonperturbed;
4413             nr                                    = idef->il[ftype].nr;
4414             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+0] = nr_nonperturbed;
4415             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+1] = nr;
4416
4417             /* This is only to get the flop count correct */
4418             idef_fe.il[ftype].nr = nr - nr_nonperturbed;
4419
4420             if (nr - nr_nonperturbed > 0)
4421             {
4422                 v = calc_one_bond(fplog, 0, ftype, &idef_fe,
4423                                   x, f, fshift, fr, pbc_null, g,
4424                                   grpp, nrnb, lambda, dvdl_dum,
4425                                   md, fcd, TRUE,
4426                                   global_atom_index, FALSE);
4427                 epot[ftype] += v;
4428             }
4429         }
4430     }
4431
4432     sfree(fshift);
4433     sfree(f);
4434
4435     sfree(idef_fe.il_thread_division);
4436 }