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 the SIMD macro file and then check for support */
  62 #include "gromacs/simd/macros.h"
  63 #if defined GMX_HAVE_SIMD_MACROS && defined GMX_SIMD_HAVE_TRIGONOMETRIC
  64 #define SIMD_BONDEDS
  65 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  66 #endif
  67
  68 /* Find a better place for this? */
  69 const int cmap_coeff_matrix[] = {
  70     1, 0, -3,  2, 0, 0,  0,  0, -3,  0,  9, -6,  2,  0, -6,  4,
  71     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  3,  0, -9,  6, -2,  0,  6, -4,
  72     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  9, -6,  0,  0, -6,  4,
  73     0, 0,  3, -2, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -9,  6,  0,  0,  6, -4,
  74     0, 0,  0,  0, 1, 0, -3,  2, -2,  0,  6, -4,  1,  0, -3,  2,
  75     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0, -1,  0,  3, -2,  1,  0, -3,  2,
  76     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  2,  0,  0,  3, -2,
  77     0, 0,  0,  0, 0, 0,  3, -2,  0,  0, -6,  4,  0,  0,  3, -2,
  78     0, 1, -2,  1, 0, 0,  0,  0,  0, -3,  6, -3,  0,  2, -4,  2,
  79     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  3, -6,  3,  0, -2,  4, -2,
  80     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  3,  0,  0,  2, -2,
  81     0, 0, -1,  1, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  3, -3,  0,  0, -2,  2,
  82     0, 0,  0,  0, 0, 1, -2,  1,  0, -2,  4, -2,  0,  1, -2,  1,
  83     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0, -1,  2, -1,  0,  1, -2,  1,
  84     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  1, -1,  0,  0, -1,  1,
  85     0, 0,  0,  0, 0, 0, -1,  1,  0,  0,  2, -2,  0,  0, -1,  1
  86 };
  87
  88
  89
  90 int glatnr(int *global_atom_index, int i)
  91 {
  92     int atnr;
  93
  94     if (global_atom_index == NULL)
  95     {
  96         atnr = i + 1;
  97     }
  98     else
  99     {
 100         atnr = global_atom_index[i] + 1;
 101     }
 102
 103     return atnr;
 104 }
 105
 106 static int pbc_rvec_sub(const t_pbc *pbc, const rvec xi, const rvec xj, rvec dx)
 107 {
 108     if (pbc)
 109     {
 110         return pbc_dx_aiuc(pbc, xi, xj, dx);
 111     }
 112     else
 113     {
 114         rvec_sub(xi, xj, dx);
 115         return CENTRAL;
 116     }
 117 }
 118
 119 #ifdef SIMD_BONDEDS
 120
 121 /* SIMD PBC data structure, containing 1/boxdiag and the box vectors */
 122 typedef struct {
 123     gmx_mm_pr inv_bzz;
 124     gmx_mm_pr inv_byy;
 125     gmx_mm_pr inv_bxx;
 126     gmx_mm_pr bzx;
 127     gmx_mm_pr bzy;
 128     gmx_mm_pr bzz;
 129     gmx_mm_pr byx;
 130     gmx_mm_pr byy;
 131     gmx_mm_pr bxx;
 132 } pbc_simd_t;
 133
 134 /* Set the SIMD pbc data from a normal t_pbc struct */
 135 static void set_pbc_simd(const t_pbc *pbc, pbc_simd_t *pbc_simd)
 136 {
 137     rvec inv_bdiag;
 138     int  d;
 139
 140     /* Setting inv_bdiag to 0 effectively turns off PBC */
 141     clear_rvec(inv_bdiag);
 142     if (pbc != NULL)
 143     {
 144         for (d = 0; d < pbc->ndim_ePBC; d++)
 145         {
 146             inv_bdiag[d] = 1.0/pbc->box[d][d];
 147         }
 148     }
 149
 150     pbc_simd->inv_bzz = gmx_set1_pr(inv_bdiag[ZZ]);
 151     pbc_simd->inv_byy = gmx_set1_pr(inv_bdiag[YY]);
 152     pbc_simd->inv_bxx = gmx_set1_pr(inv_bdiag[XX]);
 153
 154     if (pbc != NULL)
 155     {
 156         pbc_simd->bzx = gmx_set1_pr(pbc->box[ZZ][XX]);
 157         pbc_simd->bzy = gmx_set1_pr(pbc->box[ZZ][YY]);
 158         pbc_simd->bzz = gmx_set1_pr(pbc->box[ZZ][ZZ]);
 159         pbc_simd->byx = gmx_set1_pr(pbc->box[YY][XX]);
 160         pbc_simd->byy = gmx_set1_pr(pbc->box[YY][YY]);
 161         pbc_simd->bxx = gmx_set1_pr(pbc->box[XX][XX]);
 162     }
 163     else
 164     {
 165         pbc_simd->bzx = gmx_setzero_pr();
 166         pbc_simd->bzy = gmx_setzero_pr();
 167         pbc_simd->bzz = gmx_setzero_pr();
 168         pbc_simd->byx = gmx_setzero_pr();
 169         pbc_simd->byy = gmx_setzero_pr();
 170         pbc_simd->bxx = gmx_setzero_pr();
 171     }
 172 }
 173
 174 /* Correct distance vector *dx,*dy,*dz for PBC using SIMD */
 175 static gmx_inline void
 176 pbc_dx_simd(gmx_mm_pr *dx, gmx_mm_pr *dy, gmx_mm_pr *dz,
 177             const pbc_simd_t *pbc)
 178 {
 179     gmx_mm_pr sh;
 180
 181     sh  = gmx_round_pr(gmx_mul_pr(*dz, pbc->inv_bzz));
 182     *dx = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bzx, *dx);
 183     *dy = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bzy, *dy);
 184     *dz = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bzz, *dz);
 185
 186     sh  = gmx_round_pr(gmx_mul_pr(*dy, pbc->inv_byy));
 187     *dx = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->byx, *dx);
 188     *dy = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->byy, *dy);
 189
 190     sh  = gmx_round_pr(gmx_mul_pr(*dx, pbc->inv_bxx));
 191     *dx = gmx_nmsub_pr(sh, pbc->bxx, *dx);
 192 }
 193
 194 #endif /* SIMD_BONDEDS */
 195
 196 /*
 197  * Morse potential bond by Frank Everdij
 198  *
 199  * Three parameters needed:
 200  *
 201  * b0 = equilibrium distance in nm
 202  * be = beta in nm^-1 (actually, it's nu_e*Sqrt(2*pi*pi*mu/D_e))
 203  * cb = well depth in kJ/mol
 204  *
 205  * Note: the potential is referenced to be +cb at infinite separation
 206  *       and zero at the equilibrium distance!
 207  */
 208
 209 real morse_bonds(int nbonds,
 210                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 211                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 212                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 213                  real lambda, real *dvdlambda,
 214                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 215                  int gmx_unused *global_atom_index)
 216 {
 217     const real one = 1.0;
 218     const real two = 2.0;
 219     real       dr, dr2, temp, omtemp, cbomtemp, fbond, vbond, fij, vtot;
 220     real       b0, be, cb, b0A, beA, cbA, b0B, beB, cbB, L1;
 221     rvec       dx;
 222     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 223     ivec       dt;
 224
 225     vtot = 0.0;
 226     for (i = 0; (i < nbonds); )
 227     {
 228         type = forceatoms[i++];
 229         ai   = forceatoms[i++];
 230         aj   = forceatoms[i++];
 231
 232         b0A   = forceparams[type].morse.b0A;
 233         beA   = forceparams[type].morse.betaA;
 234         cbA   = forceparams[type].morse.cbA;
 235
 236         b0B   = forceparams[type].morse.b0B;
 237         beB   = forceparams[type].morse.betaB;
 238         cbB   = forceparams[type].morse.cbB;
 239
 240         L1 = one-lambda;                            /* 1 */
 241         b0 = L1*b0A + lambda*b0B;                   /* 3 */
 242         be = L1*beA + lambda*beB;                   /* 3 */
 243         cb = L1*cbA + lambda*cbB;                   /* 3 */
 244
 245         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3          */
 246         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5          */
 247         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10          */
 248         temp = exp(-be*(dr-b0));                    /*  12          */
 249
 250         if (temp == one)
 251         {
 252             /* bonds are constrainted. This may _not_ include bond constraints if they are lambda dependent */
 253             *dvdlambda += cbB-cbA;
 254             continue;
 255         }
 256
 257         omtemp    = one-temp;                                                                                        /*   1          */
 258         cbomtemp  = cb*omtemp;                                                                                       /*   1          */
 259         vbond     = cbomtemp*omtemp;                                                                                 /*   1          */
 260         fbond     = -two*be*temp*cbomtemp*gmx_invsqrt(dr2);                                                          /*   9          */
 261         vtot     += vbond;                                                                                           /*   1          */
 262
 263         *dvdlambda += (cbB - cbA) * omtemp * omtemp - (2-2*omtemp)*omtemp * cb * ((b0B-b0A)*be - (beB-beA)*(dr-b0)); /* 15 */
 264
 265         if (g)
 266         {
 267             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 268             ki = IVEC2IS(dt);
 269         }
 270
 271         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 272         {
 273             fij                 = fbond*dx[m];
 274             f[ai][m]           += fij;
 275             f[aj][m]           -= fij;
 276             fshift[ki][m]      += fij;
 277             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 278         }
 279     }                                         /*  83 TOTAL    */
 280     return vtot;
 281 }
 282
 283 real cubic_bonds(int nbonds,
 284                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 285                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 286                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 287                  real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 288                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 289                  int gmx_unused *global_atom_index)
 290 {
 291     const real three = 3.0;
 292     const real two   = 2.0;
 293     real       kb, b0, kcub;
 294     real       dr, dr2, dist, kdist, kdist2, fbond, vbond, fij, vtot;
 295     rvec       dx;
 296     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 297     ivec       dt;
 298
 299     vtot = 0.0;
 300     for (i = 0; (i < nbonds); )
 301     {
 302         type = forceatoms[i++];
 303         ai   = forceatoms[i++];
 304         aj   = forceatoms[i++];
 305
 306         b0   = forceparams[type].cubic.b0;
 307         kb   = forceparams[type].cubic.kb;
 308         kcub = forceparams[type].cubic.kcub;
 309
 310         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 311         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 312
 313         if (dr2 == 0.0)
 314         {
 315             continue;
 316         }
 317
 318         dr         = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                  /*  10          */
 319         dist       = dr-b0;
 320         kdist      = kb*dist;
 321         kdist2     = kdist*dist;
 322
 323         vbond      = kdist2 + kcub*kdist2*dist;
 324         fbond      = -(two*kdist + three*kdist2*kcub)/dr;
 325
 326         vtot      += vbond;   /* 21 */
 327
 328         if (g)
 329         {
 330             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 331             ki = IVEC2IS(dt);
 332         }
 333         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 334         {
 335             fij                 = fbond*dx[m];
 336             f[ai][m]           += fij;
 337             f[aj][m]           -= fij;
 338             fshift[ki][m]      += fij;
 339             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 340         }
 341     }                                         /*  54 TOTAL    */
 342     return vtot;
 343 }
 344
 345 real FENE_bonds(int nbonds,
 346                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 347                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 348                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 349                 real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 350                 const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 351                 int *global_atom_index)
 352 {
 353     const real half = 0.5;
 354     const real one  = 1.0;
 355     real       bm, kb;
 356     real       dr, dr2, bm2, omdr2obm2, fbond, vbond, fij, vtot;
 357     rvec       dx;
 358     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 359     ivec       dt;
 360
 361     vtot = 0.0;
 362     for (i = 0; (i < nbonds); )
 363     {
 364         type = forceatoms[i++];
 365         ai   = forceatoms[i++];
 366         aj   = forceatoms[i++];
 367
 368         bm   = forceparams[type].fene.bm;
 369         kb   = forceparams[type].fene.kb;
 370
 371         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 372         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 373
 374         if (dr2 == 0.0)
 375         {
 376             continue;
 377         }
 378
 379         bm2 = bm*bm;
 380
 381         if (dr2 >= bm2)
 382         {
 383             gmx_fatal(FARGS,
 384                       "r^2 (%f) >= bm^2 (%f) in FENE bond between atoms %d and %d",
 385                       dr2, bm2,
 386                       glatnr(global_atom_index, ai),
 387                       glatnr(global_atom_index, aj));
 388         }
 389
 390         omdr2obm2  = one - dr2/bm2;
 391
 392         vbond      = -half*kb*bm2*log(omdr2obm2);
 393         fbond      = -kb/omdr2obm2;
 394
 395         vtot      += vbond;   /* 35 */
 396
 397         if (g)
 398         {
 399             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 400             ki = IVEC2IS(dt);
 401         }
 402         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 403         {
 404             fij                 = fbond*dx[m];
 405             f[ai][m]           += fij;
 406             f[aj][m]           -= fij;
 407             fshift[ki][m]      += fij;
 408             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 409         }
 410     }                                         /*  58 TOTAL    */
 411     return vtot;
 412 }
 413
 414 real harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
 415               real *V, real *F)
 416 {
 417     const real half = 0.5;
 418     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
 419     real       v, f, dvdlambda;
 420
 421     L1    = 1.0-lambda;
 422     kk    = L1*kA+lambda*kB;
 423     x0    = L1*xA+lambda*xB;
 424
 425     dx    = x-x0;
 426     dx2   = dx*dx;
 427
 428     f          = -kk*dx;
 429     v          = half*kk*dx2;
 430     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
 431
 432     *F    = f;
 433     *V    = v;
 434
 435     return dvdlambda;
 436
 437     /* That was 19 flops */
 438 }
 439
 440
 441 real bonds(int nbonds,
 442            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 443            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 444            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 445            real lambda, real *dvdlambda,
 446            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 447            int gmx_unused *global_atom_index)
 448 {
 449     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 450     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 451     rvec dx;
 452     ivec dt;
 453
 454     vtot = 0.0;
 455     for (i = 0; (i < nbonds); )
 456     {
 457         type = forceatoms[i++];
 458         ai   = forceatoms[i++];
 459         aj   = forceatoms[i++];
 460
 461         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 462         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 463         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 464
 465         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 466                                forceparams[type].harmonic.krB,
 467                                forceparams[type].harmonic.rA,
 468                                forceparams[type].harmonic.rB,
 469                                dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 470
 471         if (dr2 == 0.0)
 472         {
 473             continue;
 474         }
 475
 476
 477         vtot  += vbond;            /* 1*/
 478         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 479 #ifdef DEBUG
 480         if (debug)
 481         {
 482             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 483                     dr, vbond, fbond);
 484         }
 485 #endif
 486         if (g)
 487         {
 488             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 489             ki = IVEC2IS(dt);
 490         }
 491         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 492         {
 493             fij                 = fbond*dx[m];
 494             f[ai][m]           += fij;
 495             f[aj][m]           -= fij;
 496             fshift[ki][m]      += fij;
 497             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 498         }
 499     }               /* 59 TOTAL */
 500     return vtot;
 501 }
 502
 503 real restraint_bonds(int nbonds,
 504                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 505                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 506                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 507                      real lambda, real *dvdlambda,
 508                      const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 509                      int gmx_unused *global_atom_index)
 510 {
 511     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 512     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 513     real L1;
 514     real low, dlow, up1, dup1, up2, dup2, k, dk;
 515     real drh, drh2;
 516     rvec dx;
 517     ivec dt;
 518
 519     L1   = 1.0 - lambda;
 520
 521     vtot = 0.0;
 522     for (i = 0; (i < nbonds); )
 523     {
 524         type = forceatoms[i++];
 525         ai   = forceatoms[i++];
 526         aj   = forceatoms[i++];
 527
 528         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 529         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 530         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 531
 532         low  = L1*forceparams[type].restraint.lowA + lambda*forceparams[type].restraint.lowB;
 533         dlow =   -forceparams[type].restraint.lowA +        forceparams[type].restraint.lowB;
 534         up1  = L1*forceparams[type].restraint.up1A + lambda*forceparams[type].restraint.up1B;
 535         dup1 =   -forceparams[type].restraint.up1A +        forceparams[type].restraint.up1B;
 536         up2  = L1*forceparams[type].restraint.up2A + lambda*forceparams[type].restraint.up2B;
 537         dup2 =   -forceparams[type].restraint.up2A +        forceparams[type].restraint.up2B;
 538         k    = L1*forceparams[type].restraint.kA   + lambda*forceparams[type].restraint.kB;
 539         dk   =   -forceparams[type].restraint.kA   +        forceparams[type].restraint.kB;
 540         /* 24 */
 541
 542         if (dr < low)
 543         {
 544             drh         = dr - low;
 545             drh2        = drh*drh;
 546             vbond       = 0.5*k*drh2;
 547             fbond       = -k*drh;
 548             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dlow*drh;
 549         } /* 11 */
 550         else if (dr <= up1)
 551         {
 552             vbond = 0;
 553             fbond = 0;
 554         }
 555         else if (dr <= up2)
 556         {
 557             drh         = dr - up1;
 558             drh2        = drh*drh;
 559             vbond       = 0.5*k*drh2;
 560             fbond       = -k*drh;
 561             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dup1*drh;
 562         } /* 11 */
 563         else
 564         {
 565             drh         = dr - up2;
 566             vbond       = k*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh);
 567             fbond       = -k*(up2 - up1);
 568             *dvdlambda += dk*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh)
 569                 + k*(dup2 - dup1)*(up2 - up1 + drh)
 570                 - k*(up2 - up1)*dup2;
 571         }
 572
 573         if (dr2 == 0.0)
 574         {
 575             continue;
 576         }
 577
 578         vtot  += vbond;            /* 1*/
 579         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 580 #ifdef DEBUG
 581         if (debug)
 582         {
 583             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 584                     dr, vbond, fbond);
 585         }
 586 #endif
 587         if (g)
 588         {
 589             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 590             ki = IVEC2IS(dt);
 591         }
 592         for (m = 0; (m < DIM); m++)             /*  15          */
 593         {
 594             fij                 = fbond*dx[m];
 595             f[ai][m]           += fij;
 596             f[aj][m]           -= fij;
 597             fshift[ki][m]      += fij;
 598             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 599         }
 600     }                   /* 59 TOTAL     */
 601
 602     return vtot;
 603 }
 604
 605 real polarize(int nbonds,
 606               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 607               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 608               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 609               real lambda, real *dvdlambda,
 610               const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 611               int gmx_unused *global_atom_index)
 612 {
 613     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 614     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh;
 615     rvec dx;
 616     ivec dt;
 617
 618     vtot = 0.0;
 619     for (i = 0; (i < nbonds); )
 620     {
 621         type = forceatoms[i++];
 622         ai   = forceatoms[i++];
 623         aj   = forceatoms[i++];
 624         ksh  = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].polarize.alpha;
 625         if (debug)
 626         {
 627             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 628         }
 629
 630         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 631         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 632         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 633
 634         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 635
 636         if (dr2 == 0.0)
 637         {
 638             continue;
 639         }
 640
 641         vtot  += vbond;            /* 1*/
 642         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 643
 644         if (g)
 645         {
 646             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 647             ki = IVEC2IS(dt);
 648         }
 649         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 650         {
 651             fij                 = fbond*dx[m];
 652             f[ai][m]           += fij;
 653             f[aj][m]           -= fij;
 654             fshift[ki][m]      += fij;
 655             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 656         }
 657     }               /* 59 TOTAL */
 658     return vtot;
 659 }
 660
 661 real anharm_polarize(int nbonds,
 662                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 663                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 664                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 665                      real lambda, real *dvdlambda,
 666                      const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 667                      int gmx_unused *global_atom_index)
 668 {
 669     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 670     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh, khyp, drcut, ddr, ddr3;
 671     rvec dx;
 672     ivec dt;
 673
 674     vtot = 0.0;
 675     for (i = 0; (i < nbonds); )
 676     {
 677         type  = forceatoms[i++];
 678         ai    = forceatoms[i++];
 679         aj    = forceatoms[i++];
 680         ksh   = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].anharm_polarize.alpha; /* 7*/
 681         khyp  = forceparams[type].anharm_polarize.khyp;
 682         drcut = forceparams[type].anharm_polarize.drcut;
 683         if (debug)
 684         {
 685             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 686         }
 687
 688         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 689         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 690         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 691
 692         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 693
 694         if (dr2 == 0.0)
 695         {
 696             continue;
 697         }
 698
 699         if (dr > drcut)
 700         {
 701             ddr    = dr-drcut;
 702             ddr3   = ddr*ddr*ddr;
 703             vbond += khyp*ddr*ddr3;
 704             fbond -= 4*khyp*ddr3;
 705         }
 706         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 707         vtot  += vbond;            /* 1*/
 708
 709         if (g)
 710         {
 711             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 712             ki = IVEC2IS(dt);
 713         }
 714         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 715         {
 716             fij                 = fbond*dx[m];
 717             f[ai][m]           += fij;
 718             f[aj][m]           -= fij;
 719             fshift[ki][m]      += fij;
 720             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 721         }
 722     }               /* 72 TOTAL */
 723     return vtot;
 724 }
 725
 726 real water_pol(int nbonds,
 727                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 728                const rvec x[], rvec f[], rvec gmx_unused fshift[],
 729                const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
 730                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 731                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 732                int gmx_unused *global_atom_index)
 733 {
 734     /* This routine implements anisotropic polarizibility for water, through
 735      * a shell connected to a dummy with spring constant that differ in the
 736      * three spatial dimensions in the molecular frame.
 737      */
 738     int  i, m, aO, aH1, aH2, aD, aS, type, type0;
 739     rvec dOH1, dOH2, dHH, dOD, dDS, nW, kk, dx, kdx, proj;
 740 #ifdef DEBUG
 741     rvec df;
 742 #endif
 743     real vtot, fij, r_HH, r_OD, r_nW, tx, ty, tz, qS;
 744
 745     vtot = 0.0;
 746     if (nbonds > 0)
 747     {
 748         type0  = forceatoms[0];
 749         aS     = forceatoms[5];
 750         qS     = md->chargeA[aS];
 751         kk[XX] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_x;
 752         kk[YY] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_y;
 753         kk[ZZ] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_z;
 754         r_HH   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rHH;
 755         r_OD   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rOD;
 756         if (debug)
 757         {
 758             fprintf(debug, "WPOL: qS  = %10.5f aS = %5d\n", qS, aS);
 759             fprintf(debug, "WPOL: kk  = %10.3f        %10.3f        %10.3f\n",
 760                     kk[XX], kk[YY], kk[ZZ]);
 761             fprintf(debug, "WPOL: rOH = %10.3f  rHH = %10.3f  rOD = %10.3f\n",
 762                     forceparams[type0].wpol.rOH,
 763                     forceparams[type0].wpol.rHH,
 764                     forceparams[type0].wpol.rOD);
 765         }
 766         for (i = 0; (i < nbonds); i += 6)
 767         {
 768             type = forceatoms[i];
 769             if (type != type0)
 770             {
 771                 gmx_fatal(FARGS, "Sorry, type = %d, type0 = %d, file = %s, line = %d",
 772                           type, type0, __FILE__, __LINE__);
 773             }
 774             aO   = forceatoms[i+1];
 775             aH1  = forceatoms[i+2];
 776             aH2  = forceatoms[i+3];
 777             aD   = forceatoms[i+4];
 778             aS   = forceatoms[i+5];
 779
 780             /* Compute vectors describing the water frame */
 781             rvec_sub(x[aH1], x[aO], dOH1);
 782             rvec_sub(x[aH2], x[aO], dOH2);
 783             rvec_sub(x[aH2], x[aH1], dHH);
 784             rvec_sub(x[aD], x[aO], dOD);
 785             rvec_sub(x[aS], x[aD], dDS);
 786             cprod(dOH1, dOH2, nW);
 787
 788             /* Compute inverse length of normal vector
 789              * (this one could be precomputed, but I'm too lazy now)
 790              */
 791             r_nW = gmx_invsqrt(iprod(nW, nW));
 792             /* This is for precision, but does not make a big difference,
 793              * it can go later.
 794              */
 795             r_OD = gmx_invsqrt(iprod(dOD, dOD));
 796
 797             /* Normalize the vectors in the water frame */
 798             svmul(r_nW, nW, nW);
 799             svmul(r_HH, dHH, dHH);
 800             svmul(r_OD, dOD, dOD);
 801
 802             /* Compute displacement of shell along components of the vector */
 803             dx[ZZ] = iprod(dDS, dOD);
 804             /* Compute projection on the XY plane: dDS - dx[ZZ]*dOD */
 805             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 806             {
 807                 proj[m] = dDS[m]-dx[ZZ]*dOD[m];
 808             }
 809
 810             /*dx[XX] = iprod(dDS,nW);
 811                dx[YY] = iprod(dDS,dHH);*/
 812             dx[XX] = iprod(proj, nW);
 813             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 814             {
 815                 proj[m] -= dx[XX]*nW[m];
 816             }
 817             dx[YY] = iprod(proj, dHH);
 818             /*#define DEBUG*/
 819 #ifdef DEBUG
 820             if (debug)
 821             {
 822                 fprintf(debug, "WPOL: dx2=%10g  dy2=%10g  dz2=%10g  sum=%10g  dDS^2=%10g\n",
 823                         sqr(dx[XX]), sqr(dx[YY]), sqr(dx[ZZ]), iprod(dx, dx), iprod(dDS, dDS));
 824                 fprintf(debug, "WPOL: dHH=(%10g,%10g,%10g)\n", dHH[XX], dHH[YY], dHH[ZZ]);
 825                 fprintf(debug, "WPOL: dOD=(%10g,%10g,%10g), 1/r_OD = %10g\n",
 826                         dOD[XX], dOD[YY], dOD[ZZ], 1/r_OD);
 827                 fprintf(debug, "WPOL: nW =(%10g,%10g,%10g), 1/r_nW = %10g\n",
 828                         nW[XX], nW[YY], nW[ZZ], 1/r_nW);
 829                 fprintf(debug, "WPOL: dx  =%10g, dy  =%10g, dz  =%10g\n",
 830                         dx[XX], dx[YY], dx[ZZ]);
 831                 fprintf(debug, "WPOL: dDSx=%10g, dDSy=%10g, dDSz=%10g\n",
 832                         dDS[XX], dDS[YY], dDS[ZZ]);
 833             }
 834 #endif
 835             /* Now compute the forces and energy */
 836             kdx[XX] = kk[XX]*dx[XX];
 837             kdx[YY] = kk[YY]*dx[YY];
 838             kdx[ZZ] = kk[ZZ]*dx[ZZ];
 839             vtot   += iprod(dx, kdx);
 840             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 841             {
 842                 /* This is a tensor operation but written out for speed */
 843                 tx        =  nW[m]*kdx[XX];
 844                 ty        = dHH[m]*kdx[YY];
 845                 tz        = dOD[m]*kdx[ZZ];
 846                 fij       = -tx-ty-tz;
 847 #ifdef DEBUG
 848                 df[m] = fij;
 849 #endif
 850                 f[aS][m] += fij;
 851                 f[aD][m] -= fij;
 852             }
 853 #ifdef DEBUG
 854             if (debug)
 855             {
 856                 fprintf(debug, "WPOL: vwpol=%g\n", 0.5*iprod(dx, kdx));
 857                 fprintf(debug, "WPOL: df = (%10g, %10g, %10g)\n", df[XX], df[YY], df[ZZ]);
 858             }
 859 #endif
 860         }
 861     }
 862     return 0.5*vtot;
 863 }
 864
 865 static real do_1_thole(const rvec xi, const rvec xj, rvec fi, rvec fj,
 866                        const t_pbc *pbc, real qq,
 867                        rvec fshift[], real afac)
 868 {
 869     rvec r12;
 870     real r12sq, r12_1, r12n, r12bar, v0, v1, fscal, ebar, fff;
 871     int  m, t;
 872
 873     t      = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r12);                      /*  3 */
 874
 875     r12sq  = iprod(r12, r12);                                     /*  5 */
 876     r12_1  = gmx_invsqrt(r12sq);                                  /*  5 */
 877     r12bar = afac/r12_1;                                          /*  5 */
 878     v0     = qq*ONE_4PI_EPS0*r12_1;                               /*  2 */
 879     ebar   = exp(-r12bar);                                        /*  5 */
 880     v1     = (1-(1+0.5*r12bar)*ebar);                             /*  4 */
 881     fscal  = ((v0*r12_1)*v1 - v0*0.5*afac*ebar*(r12bar+1))*r12_1; /* 9 */
 882     if (debug)
 883     {
 884         fprintf(debug, "THOLE: v0 = %.3f v1 = %.3f r12= % .3f r12bar = %.3f fscal = %.3f  ebar = %.3f\n", v0, v1, 1/r12_1, r12bar, fscal, ebar);
 885     }
 886
 887     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 888     {
 889         fff                 = fscal*r12[m];
 890         fi[m]              += fff;
 891         fj[m]              -= fff;
 892         fshift[t][m]       += fff;
 893         fshift[CENTRAL][m] -= fff;
 894     }             /* 15 */
 895
 896     return v0*v1; /* 1 */
 897     /* 54 */
 898 }
 899
 900 real thole_pol(int nbonds,
 901                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 902                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 903                const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
 904                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 905                const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 906                int gmx_unused *global_atom_index)
 907 {
 908     /* Interaction between two pairs of particles with opposite charge */
 909     int  i, type, a1, da1, a2, da2;
 910     real q1, q2, qq, a, al1, al2, afac;
 911     real V = 0;
 912
 913     for (i = 0; (i < nbonds); )
 914     {
 915         type  = forceatoms[i++];
 916         a1    = forceatoms[i++];
 917         da1   = forceatoms[i++];
 918         a2    = forceatoms[i++];
 919         da2   = forceatoms[i++];
 920         q1    = md->chargeA[da1];
 921         q2    = md->chargeA[da2];
 922         a     = forceparams[type].thole.a;
 923         al1   = forceparams[type].thole.alpha1;
 924         al2   = forceparams[type].thole.alpha2;
 925         qq    = q1*q2;
 926         afac  = a*pow(al1*al2, -1.0/6.0);
 927         V    += do_1_thole(x[a1], x[a2], f[a1], f[a2], pbc, qq, fshift, afac);
 928         V    += do_1_thole(x[da1], x[a2], f[da1], f[a2], pbc, -qq, fshift, afac);
 929         V    += do_1_thole(x[a1], x[da2], f[a1], f[da2], pbc, -qq, fshift, afac);
 930         V    += do_1_thole(x[da1], x[da2], f[da1], f[da2], pbc, qq, fshift, afac);
 931     }
 932     /* 290 flops */
 933     return V;
 934 }
 935
 936 real bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
 937                 rvec r_ij, rvec r_kj, real *costh,
 938                 int *t1, int *t2)
 939 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
 940 {
 941     /* 41 FLOPS */
 942     real th;
 943
 944     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
 945     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
 946
 947     *costh = cos_angle(r_ij, r_kj);        /* 25                */
 948     th     = acos(*costh);                 /* 10                */
 949     /* 41 TOTAL */
 950     return th;
 951 }
 952
 953 real angles(int nbonds,
 954             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 955             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 956             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 957             real lambda, real *dvdlambda,
 958             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 959             int gmx_unused *global_atom_index)
 960 {
 961     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type;
 962     rvec r_ij, r_kj;
 963     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
 964     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
 965
 966     vtot = 0.0;
 967     for (i = 0; i < nbonds; )
 968     {
 969         type = forceatoms[i++];
 970         ai   = forceatoms[i++];
 971         aj   = forceatoms[i++];
 972         ak   = forceatoms[i++];
 973
 974         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
 975                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);  /*  41          */
 976
 977         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 978                                forceparams[type].harmonic.krB,
 979                                forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD,
 980                                forceparams[type].harmonic.rB*DEG2RAD,
 981                                theta, lambda, &va, &dVdt);  /*  21  */
 982         vtot += va;
 983
 984         cos_theta2 = sqr(cos_theta);
 985         if (cos_theta2 < 1)
 986         {
 987             int  m;
 988             real st, sth;
 989             real cik, cii, ckk;
 990             real nrkj2, nrij2;
 991             real nrkj_1, nrij_1;
 992             rvec f_i, f_j, f_k;
 993
 994             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
 995             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
 996 #ifdef DEBUG
 997             if (debug)
 998             {
 999                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1000                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1001             }
1002 #endif
1003             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);      /*   5              */
1004             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);      /*   5              */
1005
1006             nrij_1 = gmx_invsqrt(nrij2);    /*  10              */
1007             nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2);    /*  10              */
1008
1009             cik = st*nrij_1*nrkj_1;         /*   2              */
1010             cii = sth*nrij_1*nrij_1;        /*   2              */
1011             ckk = sth*nrkj_1*nrkj_1;        /*   2              */
1012
1013             for (m = 0; m < DIM; m++)
1014             {           /*  39          */
1015                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m] - cii*r_ij[m]);
1016                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m] - ckk*r_kj[m]);
1017                 f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
1018                 f[ai][m] += f_i[m];
1019                 f[aj][m] += f_j[m];
1020                 f[ak][m] += f_k[m];
1021             }
1022             if (g != NULL)
1023             {
1024                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1025
1026                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1027                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1028                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1029                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1030             }
1031             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1032             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1033             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1034         }                                           /* 161 TOTAL        */
1035     }
1036
1037     return vtot;
1038 }
1039
1040 #ifdef SIMD_BONDEDS
1041
1042 /* As angles, but using SIMD to calculate many dihedrals at once.
1043  * This routines does not calculate energies and shift forces.
1044  */
1045 static gmx_inline void
1046 angles_noener_simd(int nbonds,
1047                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1048                    const rvec x[], rvec f[],
1049                    const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1050                    real gmx_unused lambda,
1051                    const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1052                    int gmx_unused *global_atom_index)
1053 {
1054 #define UNROLL GMX_SIMD_WIDTH_HERE
1055     const int      nfa1 = 4;
1056     int            i, iu, s, m;
1057     int            type, ai[UNROLL], aj[UNROLL], ak[UNROLL];
1058     real           coeff_array[2*UNROLL+UNROLL], *coeff;
1059     real           dr_array[2*DIM*UNROLL+UNROLL], *dr;
1060     real           f_buf_array[6*UNROLL+UNROLL], *f_buf;
1061     gmx_mm_pr      k_S, theta0_S;
1062     gmx_mm_pr      rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1063     gmx_mm_pr      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1064     gmx_mm_pr      one_S;
1065     gmx_mm_pr      min_one_plus_eps_S;
1066     gmx_mm_pr      rij_rkj_S;
1067     gmx_mm_pr      nrij2_S, nrij_1_S;
1068     gmx_mm_pr      nrkj2_S, nrkj_1_S;
1069     gmx_mm_pr      cos_S, invsin_S;
1070     gmx_mm_pr      theta_S;
1071     gmx_mm_pr      st_S, sth_S;
1072     gmx_mm_pr      cik_S, cii_S, ckk_S;
1073     gmx_mm_pr      f_ix_S, f_iy_S, f_iz_S;
1074     gmx_mm_pr      f_kx_S, f_ky_S, f_kz_S;
1075     pbc_simd_t     pbc_simd;
1076
1077     /* Ensure register memory alignment */
1078     coeff = gmx_simd_align_real(coeff_array);
1079     dr    = gmx_simd_align_real(dr_array);
1080     f_buf = gmx_simd_align_real(f_buf_array);
1081
1082     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
1083
1084     one_S = gmx_set1_pr(1.0);
1085
1086     /* The smallest number > -1 */
1087     min_one_plus_eps_S = gmx_set1_pr(-1.0 + 2*GMX_REAL_EPS);
1088
1089     /* nbonds is the number of angles times nfa1, here we step UNROLL angles */
1090     for (i = 0; (i < nbonds); i += UNROLL*nfa1)
1091     {
1092         /* Collect atoms for UNROLL angles.
1093          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
1094          */
1095         iu = i;
1096         for (s = 0; s < UNROLL; s++)
1097         {
1098             type  = forceatoms[iu];
1099             ai[s] = forceatoms[iu+1];
1100             aj[s] = forceatoms[iu+2];
1101             ak[s] = forceatoms[iu+3];
1102
1103             coeff[s]        = forceparams[type].harmonic.krA;
1104             coeff[UNROLL+s] = forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD;
1105
1106             /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1107              * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1108              */
1109             /* Store the non PBC corrected distances packed and aligned */
1110             for (m = 0; m < DIM; m++)
1111             {
1112                 dr[s +      m *UNROLL] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1113                 dr[s + (DIM+m)*UNROLL] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1114             }
1115
1116             /* At the end fill the arrays with identical entries */
1117             if (iu + nfa1 < nbonds)
1118             {
1119                 iu += nfa1;
1120             }
1121         }
1122
1123         k_S       = gmx_load_pr(coeff);
1124         theta0_S  = gmx_load_pr(coeff+UNROLL);
1125
1126         rijx_S    = gmx_load_pr(dr + 0*UNROLL);
1127         rijy_S    = gmx_load_pr(dr + 1*UNROLL);
1128         rijz_S    = gmx_load_pr(dr + 2*UNROLL);
1129         rkjx_S    = gmx_load_pr(dr + 3*UNROLL);
1130         rkjy_S    = gmx_load_pr(dr + 4*UNROLL);
1131         rkjz_S    = gmx_load_pr(dr + 5*UNROLL);
1132
1133         pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, &pbc_simd);
1134         pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, &pbc_simd);
1135
1136         rij_rkj_S = gmx_iprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1137                                  rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1138
1139         nrij2_S   = gmx_norm2_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S);
1140         nrkj2_S   = gmx_norm2_pr(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1141
1142         nrij_1_S  = gmx_invsqrt_pr(nrij2_S);
1143         nrkj_1_S  = gmx_invsqrt_pr(nrkj2_S);
1144
1145         cos_S     = gmx_mul_pr(rij_rkj_S, gmx_mul_pr(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1146
1147         /* To allow for 180 degrees, we take the max of cos and -1 + 1bit,
1148          * so we can safely get the 1/sin from 1/sqrt(1 - cos^2).
1149          * This also ensures that rounding errors would cause the argument
1150          * of gmx_acos_pr to be < -1.
1151          * Note that we do not take precautions for cos(0)=1, so the outer
1152          * atoms in an angle should not be on top of each other.
1153          */
1154         cos_S     = gmx_max_pr(cos_S, min_one_plus_eps_S);
1155
1156         theta_S   = gmx_acos_pr(cos_S);
1157
1158         invsin_S  = gmx_invsqrt_pr(gmx_sub_pr(one_S, gmx_mul_pr(cos_S, cos_S)));
1159
1160         st_S      = gmx_mul_pr(gmx_mul_pr(k_S, gmx_sub_pr(theta0_S, theta_S)),
1161                                invsin_S);
1162         sth_S     = gmx_mul_pr(st_S, cos_S);
1163
1164         cik_S     = gmx_mul_pr(st_S,  gmx_mul_pr(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1165         cii_S     = gmx_mul_pr(sth_S, gmx_mul_pr(nrij_1_S, nrij_1_S));
1166         ckk_S     = gmx_mul_pr(sth_S, gmx_mul_pr(nrkj_1_S, nrkj_1_S));
1167
1168         f_ix_S    = gmx_mul_pr(cii_S, rijx_S);
1169         f_ix_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rkjx_S, f_ix_S);
1170         f_iy_S    = gmx_mul_pr(cii_S, rijy_S);
1171         f_iy_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rkjy_S, f_iy_S);
1172         f_iz_S    = gmx_mul_pr(cii_S, rijz_S);
1173         f_iz_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rkjz_S, f_iz_S);
1174         f_kx_S    = gmx_mul_pr(ckk_S, rkjx_S);
1175         f_kx_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rijx_S, f_kx_S);
1176         f_ky_S    = gmx_mul_pr(ckk_S, rkjy_S);
1177         f_ky_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rijy_S, f_ky_S);
1178         f_kz_S    = gmx_mul_pr(ckk_S, rkjz_S);
1179         f_kz_S    = gmx_nmsub_pr(cik_S, rijz_S, f_kz_S);
1180
1181         gmx_store_pr(f_buf + 0*UNROLL, f_ix_S);
1182         gmx_store_pr(f_buf + 1*UNROLL, f_iy_S);
1183         gmx_store_pr(f_buf + 2*UNROLL, f_iz_S);
1184         gmx_store_pr(f_buf + 3*UNROLL, f_kx_S);
1185         gmx_store_pr(f_buf + 4*UNROLL, f_ky_S);
1186         gmx_store_pr(f_buf + 5*UNROLL, f_kz_S);
1187
1188         iu = i;
1189         s  = 0;
1190         do
1191         {
1192             for (m = 0; m < DIM; m++)
1193             {
1194                 f[ai[s]][m] += f_buf[s + m*UNROLL];
1195                 f[aj[s]][m] -= f_buf[s + m*UNROLL] + f_buf[s + (DIM+m)*UNROLL];
1196                 f[ak[s]][m] += f_buf[s + (DIM+m)*UNROLL];
1197             }
1198             s++;
1199             iu += nfa1;
1200         }
1201         while (s < UNROLL && iu < nbonds);
1202     }
1203 #undef UNROLL
1204 }
1205
1206 #endif /* SIMD_BONDEDS */
1207
1208 real linear_angles(int nbonds,
1209                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1210                    const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1211                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1212                    real lambda, real *dvdlambda,
1213                    const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1214                    int gmx_unused *global_atom_index)
1215 {
1216     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1217     rvec f_i, f_j, f_k;
1218     real L1, kA, kB, aA, aB, dr, dr2, va, vtot, a, b, klin;
1219     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1220     rvec r_ij, r_kj, r_ik, dx;
1221
1222     L1   = 1-lambda;
1223     vtot = 0.0;
1224     for (i = 0; (i < nbonds); )
1225     {
1226         type = forceatoms[i++];
1227         ai   = forceatoms[i++];
1228         aj   = forceatoms[i++];
1229         ak   = forceatoms[i++];
1230
1231         kA   = forceparams[type].linangle.klinA;
1232         kB   = forceparams[type].linangle.klinB;
1233         klin = L1*kA + lambda*kB;
1234
1235         aA   = forceparams[type].linangle.aA;
1236         aB   = forceparams[type].linangle.aB;
1237         a    = L1*aA+lambda*aB;
1238         b    = 1-a;
1239
1240         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
1241         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
1242         rvec_sub(r_ij, r_kj, r_ik);
1243
1244         dr2 = 0;
1245         for (m = 0; (m < DIM); m++)
1246         {
1247             dr        = -a * r_ij[m] - b * r_kj[m];
1248             dr2      += dr*dr;
1249             dx[m]     = dr;
1250             f_i[m]    = a*klin*dr;
1251             f_k[m]    = b*klin*dr;
1252             f_j[m]    = -(f_i[m]+f_k[m]);
1253             f[ai][m] += f_i[m];
1254             f[aj][m] += f_j[m];
1255             f[ak][m] += f_k[m];
1256         }
1257         va          = 0.5*klin*dr2;
1258         *dvdlambda += 0.5*(kB-kA)*dr2 + klin*(aB-aA)*iprod(dx, r_ik);
1259
1260         vtot += va;
1261
1262         if (g)
1263         {
1264             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1265
1266             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1267             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1268             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1269             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1270         }
1271         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1272         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1273         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1274     }                                         /* 57 TOTAL       */
1275     return vtot;
1276 }
1277
1278 real urey_bradley(int nbonds,
1279                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1280                   const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1281                   const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1282                   real lambda, real *dvdlambda,
1283                   const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1284                   int gmx_unused *global_atom_index)
1285 {
1286     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type, ki;
1287     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
1288     real cos_theta, cos_theta2, theta;
1289     real dVdt, va, vtot, dr, dr2, vbond, fbond, fik;
1290     real kthA, th0A, kUBA, r13A, kthB, th0B, kUBB, r13B;
1291     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_ik;
1292
1293     vtot = 0.0;
1294     for (i = 0; (i < nbonds); )
1295     {
1296         type  = forceatoms[i++];
1297         ai    = forceatoms[i++];
1298         aj    = forceatoms[i++];
1299         ak    = forceatoms[i++];
1300         th0A  = forceparams[type].u_b.thetaA*DEG2RAD;
1301         kthA  = forceparams[type].u_b.kthetaA;
1302         r13A  = forceparams[type].u_b.r13A;
1303         kUBA  = forceparams[type].u_b.kUBA;
1304         th0B  = forceparams[type].u_b.thetaB*DEG2RAD;
1305         kthB  = forceparams[type].u_b.kthetaB;
1306         r13B  = forceparams[type].u_b.r13B;
1307         kUBB  = forceparams[type].u_b.kUBB;
1308
1309         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1310                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);                     /*  41               */
1311
1312         *dvdlambda += harmonic(kthA, kthB, th0A, th0B, theta, lambda, &va, &dVdt); /*  21  */
1313         vtot       += va;
1314
1315         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);                               /*   3      */
1316         dr2  = iprod(r_ik, r_ik);                                                   /*   5              */
1317         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                                /*  10              */
1318
1319         *dvdlambda += harmonic(kUBA, kUBB, r13A, r13B, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
1320
1321         cos_theta2 = sqr(cos_theta);                                                /*   1              */
1322         if (cos_theta2 < 1)
1323         {
1324             real st, sth;
1325             real cik, cii, ckk;
1326             real nrkj2, nrij2;
1327             rvec f_i, f_j, f_k;
1328
1329             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1330             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1331 #ifdef DEBUG
1332             if (debug)
1333             {
1334                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1335                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1336             }
1337 #endif
1338             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1339             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1340
1341             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1342             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1343             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1344
1345             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1346             {
1347                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1348                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1349                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1350                 f[ai][m] += f_i[m];
1351                 f[aj][m] += f_j[m];
1352                 f[ak][m] += f_k[m];
1353             }
1354             if (g)
1355             {
1356                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1357
1358                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1359                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1360                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1361                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1362             }
1363             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1364             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1365             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1366         }                                       /* 161 TOTAL    */
1367         /* Time for the bond calculations */
1368         if (dr2 == 0.0)
1369         {
1370             continue;
1371         }
1372
1373         vtot  += vbond;            /* 1*/
1374         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
1375
1376         if (g)
1377         {
1378             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, ak), dt_ik);
1379             ki = IVEC2IS(dt_ik);
1380         }
1381         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
1382         {
1383             fik                 = fbond*r_ik[m];
1384             f[ai][m]           += fik;
1385             f[ak][m]           -= fik;
1386             fshift[ki][m]      += fik;
1387             fshift[CENTRAL][m] -= fik;
1388         }
1389     }
1390     return vtot;
1391 }
1392
1393 real quartic_angles(int nbonds,
1394                     const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1395                     const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1396                     const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1397                     real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
1398                     const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1399                     int gmx_unused *global_atom_index)
1400 {
1401     int  i, j, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1402     rvec r_ij, r_kj;
1403     real cos_theta, cos_theta2, theta, dt, dVdt, va, dtp, c, vtot;
1404     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1405
1406     vtot = 0.0;
1407     for (i = 0; (i < nbonds); )
1408     {
1409         type = forceatoms[i++];
1410         ai   = forceatoms[i++];
1411         aj   = forceatoms[i++];
1412         ak   = forceatoms[i++];
1413
1414         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1415                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
1416
1417         dt = theta - forceparams[type].qangle.theta*DEG2RAD;   /* 2          */
1418
1419         dVdt = 0;
1420         va   = forceparams[type].qangle.c[0];
1421         dtp  = 1.0;
1422         for (j = 1; j <= 4; j++)
1423         {
1424             c     = forceparams[type].qangle.c[j];
1425             dVdt -= j*c*dtp;
1426             dtp  *= dt;
1427             va   += c*dtp;
1428         }
1429         /* 20 */
1430
1431         vtot += va;
1432
1433         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
1434         if (cos_theta2 < 1)
1435         {
1436             int  m;
1437             real st, sth;
1438             real cik, cii, ckk;
1439             real nrkj2, nrij2;
1440             rvec f_i, f_j, f_k;
1441
1442             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1443             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1444 #ifdef DEBUG
1445             if (debug)
1446             {
1447                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1448                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1449             }
1450 #endif
1451             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1452             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1453
1454             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1455             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1456             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1457
1458             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1459             {
1460                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1461                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1462                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1463                 f[ai][m] += f_i[m];
1464                 f[aj][m] += f_j[m];
1465                 f[ak][m] += f_k[m];
1466             }
1467             if (g)
1468             {
1469                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1470
1471                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1472                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1473                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1474                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1475             }
1476             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1477             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1478             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1479         }                                       /* 153 TOTAL    */
1480     }
1481     return vtot;
1482 }
1483
1484 real dih_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const rvec xl,
1485                const t_pbc *pbc,
1486                rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl, rvec m, rvec n,
1487                real *sign, int *t1, int *t2, int *t3)
1488 {
1489     real ipr, phi;
1490
1491     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3        */
1492     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
1493     *t3 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xl, r_kl); /*  3                */
1494
1495     cprod(r_ij, r_kj, m);                  /*  9        */
1496     cprod(r_kj, r_kl, n);                  /*  9                */
1497     phi     = gmx_angle(m, n);             /* 49 (assuming 25 for atan2) */
1498     ipr     = iprod(r_ij, n);              /*  5        */
1499     (*sign) = (ipr < 0.0) ? -1.0 : 1.0;
1500     phi     = (*sign)*phi;                 /*  1                */
1501     /* 82 TOTAL */
1502     return phi;
1503 }
1504
1505
1506 #ifdef SIMD_BONDEDS
1507
1508 /* As dih_angle above, but calculates 4 dihedral angles at once using SIMD,
1509  * also calculates the pre-factor required for the dihedral force update.
1510  * Note that bv and buf should be register aligned.
1511  */
1512 static gmx_inline void
1513 dih_angle_simd(const rvec *x,
1514                const int *ai, const int *aj, const int *ak, const int *al,
1515                const pbc_simd_t *pbc,
1516                real *dr,
1517                gmx_mm_pr *phi_S,
1518                gmx_mm_pr *mx_S, gmx_mm_pr *my_S, gmx_mm_pr *mz_S,
1519                gmx_mm_pr *nx_S, gmx_mm_pr *ny_S, gmx_mm_pr *nz_S,
1520                gmx_mm_pr *nrkj_m2_S,
1521                gmx_mm_pr *nrkj_n2_S,
1522                real *p,
1523                real *q)
1524 {
1525 #define UNROLL GMX_SIMD_WIDTH_HERE
1526     int       s, m;
1527     gmx_mm_pr rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1528     gmx_mm_pr rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1529     gmx_mm_pr rklx_S, rkly_S, rklz_S;
1530     gmx_mm_pr cx_S, cy_S, cz_S;
1531     gmx_mm_pr cn_S;
1532     gmx_mm_pr s_S;
1533     gmx_mm_pr ipr_S;
1534     gmx_mm_pr iprm_S, iprn_S;
1535     gmx_mm_pr nrkj2_S, nrkj_1_S, nrkj_2_S, nrkj_S;
1536     gmx_mm_pr toler_S;
1537     gmx_mm_pr p_S, q_S;
1538     gmx_mm_pr nrkj2_min_S;
1539     gmx_mm_pr real_eps_S;
1540
1541     /* Used to avoid division by zero.
1542      * We take into acount that we multiply the result by real_eps_S.
1543      */
1544     nrkj2_min_S = gmx_set1_pr(GMX_REAL_MIN/(2*GMX_REAL_EPS));
1545
1546     /* The value of the last significant bit (GMX_REAL_EPS is half of that) */
1547     real_eps_S  = gmx_set1_pr(2*GMX_REAL_EPS);
1548
1549     for (s = 0; s < UNROLL; s++)
1550     {
1551         /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1552          * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1553          */
1554         for (m = 0; m < DIM; m++)
1555         {
1556             dr[s + (0*DIM + m)*UNROLL] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1557             dr[s + (1*DIM + m)*UNROLL] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1558             dr[s + (2*DIM + m)*UNROLL] = x[ak[s]][m] - x[al[s]][m];
1559         }
1560     }
1561
1562     rijx_S = gmx_load_pr(dr + 0*UNROLL);
1563     rijy_S = gmx_load_pr(dr + 1*UNROLL);
1564     rijz_S = gmx_load_pr(dr + 2*UNROLL);
1565     rkjx_S = gmx_load_pr(dr + 3*UNROLL);
1566     rkjy_S = gmx_load_pr(dr + 4*UNROLL);
1567     rkjz_S = gmx_load_pr(dr + 5*UNROLL);
1568     rklx_S = gmx_load_pr(dr + 6*UNROLL);
1569     rkly_S = gmx_load_pr(dr + 7*UNROLL);
1570     rklz_S = gmx_load_pr(dr + 8*UNROLL);
1571
1572     pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, pbc);
1573     pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, pbc);
1574     pbc_dx_simd(&rklx_S, &rkly_S, &rklz_S, pbc);
1575
1576     gmx_cprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1577                  rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1578                  mx_S, my_S, mz_S);
1579
1580     gmx_cprod_pr(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1581                  rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1582                  nx_S, ny_S, nz_S);
1583
1584     gmx_cprod_pr(*mx_S, *my_S, *mz_S,
1585                  *nx_S, *ny_S, *nz_S,
1586                  &cx_S, &cy_S, &cz_S);
1587
1588     cn_S       = gmx_sqrt_pr(gmx_norm2_pr(cx_S, cy_S, cz_S));
1589
1590     s_S        = gmx_iprod_pr(*mx_S, *my_S, *mz_S, *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1591
1592     /* Determine the dihedral angle, the sign might need correction */
1593     *phi_S     = gmx_atan2_pr(cn_S, s_S);
1594
1595     ipr_S      = gmx_iprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1596                               *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1597
1598     iprm_S     = gmx_norm2_pr(*mx_S, *my_S, *mz_S);
1599     iprn_S     = gmx_norm2_pr(*nx_S, *ny_S, *nz_S);
1600
1601     nrkj2_S    = gmx_norm2_pr(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1602
1603     /* Avoid division by zero. When zero, the result is multiplied by 0
1604      * anyhow, so the 3 max below do not affect the final result.
1605      */
1606     nrkj2_S    = gmx_max_pr(nrkj2_S, nrkj2_min_S);
1607     nrkj_1_S   = gmx_invsqrt_pr(nrkj2_S);
1608     nrkj_2_S   = gmx_mul_pr(nrkj_1_S, nrkj_1_S);
1609     nrkj_S     = gmx_mul_pr(nrkj2_S, nrkj_1_S);
1610
1611     toler_S    = gmx_mul_pr(nrkj2_S, real_eps_S);
1612
1613     /* Here the plain-C code uses a conditional, but we can't do that in SIMD.
1614      * So we take a max with the tolerance instead. Since we multiply with
1615      * m or n later, the max does not affect the results.
1616      */
1617     iprm_S     = gmx_max_pr(iprm_S, toler_S);
1618     iprn_S     = gmx_max_pr(iprn_S, toler_S);
1619     *nrkj_m2_S = gmx_mul_pr(nrkj_S, gmx_inv_pr(iprm_S));
1620     *nrkj_n2_S = gmx_mul_pr(nrkj_S, gmx_inv_pr(iprn_S));
1621
1622     /* Set sign of phi_S with the sign of ipr_S; phi_S is currently positive */
1623     *phi_S     = gmx_cpsgn_nonneg_pr(ipr_S, *phi_S);
1624
1625     p_S        = gmx_iprod_pr(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1626                               rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1627     p_S        = gmx_mul_pr(p_S, nrkj_2_S);
1628
1629     q_S        = gmx_iprod_pr(rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1630                               rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1631     q_S        = gmx_mul_pr(q_S, nrkj_2_S);
1632
1633     gmx_store_pr(p, p_S);
1634     gmx_store_pr(q, q_S);
1635 #undef UNROLL
1636 }
1637
1638 #endif /* SIMD_BONDEDS */
1639
1640
1641 void do_dih_fup(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1642                 rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1643                 rvec m, rvec n, rvec f[], rvec fshift[],
1644                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1645                 const rvec x[], int t1, int t2, int t3)
1646 {
1647     /* 143 FLOPS */
1648     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1649     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1650     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1651     real a, b, p, q, toler;
1652     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1653
1654     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1655     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1656     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1657     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1658     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1659     {
1660         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1661         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1662         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1663         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1664         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1665         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1666         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1667         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1668         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1669         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1670         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1671         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1672         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1673         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1674         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1675         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1676         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1677         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1678         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1679         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1680
1681         if (g)
1682         {
1683             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, j), jt);
1684             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, i), jt, dt_ij);
1685             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, k), jt, dt_kj);
1686             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, l), jt, dt_lj);
1687             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1688             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1689             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
1690         }
1691         else if (pbc)
1692         {
1693             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[l], x[j], dx_jl);
1694         }
1695         else
1696         {
1697             t3 = CENTRAL;
1698         }
1699
1700         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1701         rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_j);
1702         rvec_dec(fshift[t2], f_k);
1703         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
1704     }
1705     /* 112 TOTAL    */
1706 }
1707
1708 /* As do_dih_fup above, but without shift forces */
1709 static void
1710 do_dih_fup_noshiftf(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1711                     rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1712                     rvec m, rvec n, rvec f[])
1713 {
1714     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1715     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1716     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1717     real a, b, p, q, toler;
1718     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1719
1720     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1721     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1722     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1723     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1724     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1725     {
1726         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1727         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1728         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1729         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1730         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1731         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1732         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1733         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1734         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1735         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1736         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1737         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1738         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1739         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1740         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1741         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1742         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1743         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1744         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1745         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1746     }
1747 }
1748
1749 /* As do_dih_fup_noshiftf above, but with pre-calculated pre-factors */
1750 static gmx_inline void
1751 do_dih_fup_noshiftf_precalc(int i, int j, int k, int l,
1752                             real p, real q,
1753                             real f_i_x, real f_i_y, real f_i_z,
1754                             real mf_l_x, real mf_l_y, real mf_l_z,
1755                             rvec f[])
1756 {
1757     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1758     rvec uvec, vvec, svec;
1759
1760     f_i[XX] = f_i_x;
1761     f_i[YY] = f_i_y;
1762     f_i[ZZ] = f_i_z;
1763     f_l[XX] = -mf_l_x;
1764     f_l[YY] = -mf_l_y;
1765     f_l[ZZ] = -mf_l_z;
1766     svmul(p, f_i, uvec);
1767     svmul(q, f_l, vvec);
1768     rvec_sub(uvec, vvec, svec);
1769     rvec_sub(f_i, svec, f_j);
1770     rvec_add(f_l, svec, f_k);
1771     rvec_inc(f[i], f_i);
1772     rvec_dec(f[j], f_j);
1773     rvec_dec(f[k], f_k);
1774     rvec_inc(f[l], f_l);
1775 }
1776
1777
1778 real dopdihs(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1779              real phi, real lambda, real *V, real *F)
1780 {
1781     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1782     real L1   = 1.0 - lambda;
1783     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1784     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1785     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1786
1787     mdphi =  mult*phi - ph0;
1788     sdphi = sin(mdphi);
1789     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1790     v1    = 1.0 + cos(mdphi);
1791     v     = cp*v1;
1792
1793     dvdlambda  = (cpB - cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1794
1795     *V = v;
1796     *F = ddphi;
1797
1798     return dvdlambda;
1799
1800     /* That was 40 flops */
1801 }
1802
1803 static void
1804 dopdihs_noener(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1805                real phi, real lambda, real *F)
1806 {
1807     real mdphi, sdphi, ddphi;
1808     real L1   = 1.0 - lambda;
1809     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1810     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1811
1812     mdphi = mult*phi - ph0;
1813     sdphi = sin(mdphi);
1814     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1815
1816     *F = ddphi;
1817
1818     /* That was 20 flops */
1819 }
1820
1821 static void
1822 dopdihs_mdphi(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1823               real phi, real lambda, real *cp, real *mdphi)
1824 {
1825     real L1   = 1.0 - lambda;
1826     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1827
1828     *cp    = L1*cpA + lambda*cpB;
1829
1830     *mdphi = mult*phi - ph0;
1831 }
1832
1833 static real dopdihs_min(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1834                         real phi, real lambda, real *V, real *F)
1835 /* similar to dopdihs, except for a minus sign  *
1836  * and a different treatment of mult/phi0       */
1837 {
1838     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1839     real L1   = 1.0 - lambda;
1840     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1841     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1842     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1843
1844     mdphi = mult*(phi-ph0);
1845     sdphi = sin(mdphi);
1846     ddphi = cp*mult*sdphi;
1847     v1    = 1.0-cos(mdphi);
1848     v     = cp*v1;
1849
1850     dvdlambda  = (cpB-cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1851
1852     *V = v;
1853     *F = ddphi;
1854
1855     return dvdlambda;
1856
1857     /* That was 40 flops */
1858 }
1859
1860 real pdihs(int nbonds,
1861            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1862            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1863            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1864            real lambda, real *dvdlambda,
1865            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1866            int gmx_unused *global_atom_index)
1867 {
1868     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1869     int  t1, t2, t3;
1870     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1871     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
1872
1873     vtot = 0.0;
1874
1875     for (i = 0; (i < nbonds); )
1876     {
1877         type = forceatoms[i++];
1878         ai   = forceatoms[i++];
1879         aj   = forceatoms[i++];
1880         ak   = forceatoms[i++];
1881         al   = forceatoms[i++];
1882
1883         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1884                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84      */
1885         *dvdlambda += dopdihs(forceparams[type].pdihs.cpA,
1886                               forceparams[type].pdihs.cpB,
1887                               forceparams[type].pdihs.phiA,
1888                               forceparams[type].pdihs.phiB,
1889                               forceparams[type].pdihs.mult,
1890                               phi, lambda, &vpd, &ddphi);
1891
1892         vtot += vpd;
1893         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1894                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
1895
1896 #ifdef DEBUG
1897         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
1898                 ai, aj, ak, al, phi);
1899 #endif
1900     } /* 223 TOTAL  */
1901
1902     return vtot;
1903 }
1904
1905 void make_dp_periodic(real *dp)  /* 1 flop? */
1906 {
1907     /* dp cannot be outside (-pi,pi) */
1908     if (*dp >= M_PI)
1909     {
1910         *dp -= 2*M_PI;
1911     }
1912     else if (*dp < -M_PI)
1913     {
1914         *dp += 2*M_PI;
1915     }
1916     return;
1917 }
1918
1919 /* As pdihs above, but without calculating energies and shift forces */
1920 static void
1921 pdihs_noener(int nbonds,
1922              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1923              const rvec x[], rvec f[],
1924              const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1925              real lambda,
1926              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1927              int gmx_unused *global_atom_index)
1928 {
1929     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1930     int  t1, t2, t3;
1931     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1932     real phi, sign, ddphi_tot, ddphi;
1933
1934     for (i = 0; (i < nbonds); )
1935     {
1936         ai   = forceatoms[i+1];
1937         aj   = forceatoms[i+2];
1938         ak   = forceatoms[i+3];
1939         al   = forceatoms[i+4];
1940
1941         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1942                         &sign, &t1, &t2, &t3);
1943
1944         ddphi_tot = 0;
1945
1946         /* Loop over dihedrals working on the same atoms,
1947          * so we avoid recalculating angles and force distributions.
1948          */
1949         do
1950         {
1951             type = forceatoms[i];
1952             dopdihs_noener(forceparams[type].pdihs.cpA,
1953                            forceparams[type].pdihs.cpB,
1954                            forceparams[type].pdihs.phiA,
1955                            forceparams[type].pdihs.phiB,
1956                            forceparams[type].pdihs.mult,
1957                            phi, lambda, &ddphi);
1958             ddphi_tot += ddphi;
1959
1960             i += 5;
1961         }
1962         while (i < nbonds &&
1963                forceatoms[i+1] == ai &&
1964                forceatoms[i+2] == aj &&
1965                forceatoms[i+3] == ak &&
1966                forceatoms[i+4] == al);
1967
1968         do_dih_fup_noshiftf(ai, aj, ak, al, ddphi_tot, r_ij, r_kj, r_kl, m, n, f);
1969     }
1970 }
1971
1972
1973 #ifdef SIMD_BONDEDS
1974
1975 /* As pdihs_noner above, but using SIMD to calculate many dihedrals at once */
1976 static void
1977 pdihs_noener_simd(int nbonds,
1978                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1979                   const rvec x[], rvec f[],
1980                   const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1981                   real gmx_unused lambda,
1982                   const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1983                   int gmx_unused *global_atom_index)
1984 {
1985 #define UNROLL GMX_SIMD_WIDTH_HERE
1986     const int       nfa1 = 5;
1987     int             i, iu, s;
1988     int             type, ai[UNROLL], aj[UNROLL], ak[UNROLL], al[UNROLL];
1989     int             t1[UNROLL], t2[UNROLL], t3[UNROLL];
1990     real            ddphi;
1991     real            dr_array[3*DIM*UNROLL+UNROLL], *dr;
1992     real            buf_array[7*UNROLL+UNROLL], *buf;
1993     real           *cp, *phi0, *mult, *phi, *p, *q, *sf_i, *msf_l;
1994     gmx_mm_pr       phi0_S, phi_S;
1995     gmx_mm_pr       mx_S, my_S, mz_S;
1996     gmx_mm_pr       nx_S, ny_S, nz_S;
1997     gmx_mm_pr       nrkj_m2_S, nrkj_n2_S;
1998     gmx_mm_pr       cp_S, mdphi_S, mult_S;
1999     gmx_mm_pr       sin_S, cos_S;
2000     gmx_mm_pr       mddphi_S;
2001     gmx_mm_pr       sf_i_S, msf_l_S;
2002     pbc_simd_t      pbc_simd;
2003
2004     /* Ensure SIMD register alignment */
2005     dr  = gmx_simd_align_real(dr_array);
2006     buf = gmx_simd_align_real(buf_array);
2007
2008     /* Extract aligned pointer for parameters and variables */
2009     cp    = buf + 0*UNROLL;
2010     phi0  = buf + 1*UNROLL;
2011     mult  = buf + 2*UNROLL;
2012     p     = buf + 3*UNROLL;
2013     q     = buf + 4*UNROLL;
2014     sf_i  = buf + 5*UNROLL;
2015     msf_l = buf + 6*UNROLL;
2016
2017     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
2018
2019     /* nbonds is the number of dihedrals times nfa1, here we step UNROLL dihs */
2020     for (i = 0; (i < nbonds); i += UNROLL*nfa1)
2021     {
2022         /* Collect atoms quadruplets for UNROLL dihedrals.
2023          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
2024          */
2025         iu = i;
2026         for (s = 0; s < UNROLL; s++)
2027         {
2028             type  = forceatoms[iu];
2029             ai[s] = forceatoms[iu+1];
2030             aj[s] = forceatoms[iu+2];
2031             ak[s] = forceatoms[iu+3];
2032             al[s] = forceatoms[iu+4];
2033
2034             cp[s]   = forceparams[type].pdihs.cpA;
2035             phi0[s] = forceparams[type].pdihs.phiA*DEG2RAD;
2036             mult[s] = forceparams[type].pdihs.mult;
2037
2038             /* At the end fill the arrays with identical entries */
2039             if (iu + nfa1 < nbonds)
2040             {
2041                 iu += nfa1;
2042             }
2043         }
2044
2045         /* Caclulate UNROLL dihedral angles at once */
2046         dih_angle_simd(x, ai, aj, ak, al, &pbc_simd,
2047                        dr,
2048                        &phi_S,
2049                        &mx_S, &my_S, &mz_S,
2050                        &nx_S, &ny_S, &nz_S,
2051                        &nrkj_m2_S,
2052                        &nrkj_n2_S,
2053                        p, q);
2054
2055         cp_S     = gmx_load_pr(cp);
2056         phi0_S   = gmx_load_pr(phi0);
2057         mult_S   = gmx_load_pr(mult);
2058
2059         mdphi_S  = gmx_sub_pr(gmx_mul_pr(mult_S, phi_S), phi0_S);
2060
2061         /* Calculate UNROLL sines at once */
2062         gmx_sincos_pr(mdphi_S, &sin_S, &cos_S);
2063         mddphi_S = gmx_mul_pr(gmx_mul_pr(cp_S, mult_S), sin_S);
2064         sf_i_S   = gmx_mul_pr(mddphi_S, nrkj_m2_S);
2065         msf_l_S  = gmx_mul_pr(mddphi_S, nrkj_n2_S);
2066
2067         /* After this m?_S will contain f[i] */
2068         mx_S     = gmx_mul_pr(sf_i_S, mx_S);
2069         my_S     = gmx_mul_pr(sf_i_S, my_S);
2070         mz_S     = gmx_mul_pr(sf_i_S, mz_S);
2071
2072         /* After this m?_S will contain -f[l] */
2073         nx_S     = gmx_mul_pr(msf_l_S, nx_S);
2074         ny_S     = gmx_mul_pr(msf_l_S, ny_S);
2075         nz_S     = gmx_mul_pr(msf_l_S, nz_S);
2076
2077         gmx_store_pr(dr + 0*UNROLL, mx_S);
2078         gmx_store_pr(dr + 1*UNROLL, my_S);
2079         gmx_store_pr(dr + 2*UNROLL, mz_S);
2080         gmx_store_pr(dr + 3*UNROLL, nx_S);
2081         gmx_store_pr(dr + 4*UNROLL, ny_S);
2082         gmx_store_pr(dr + 5*UNROLL, nz_S);
2083
2084         iu = i;
2085         s  = 0;
2086         do
2087         {
2088             do_dih_fup_noshiftf_precalc(ai[s], aj[s], ak[s], al[s],
2089                                         p[s], q[s],
2090                                         dr[     XX *UNROLL+s],
2091                                         dr[     YY *UNROLL+s],
2092                                         dr[     ZZ *UNROLL+s],
2093                                         dr[(DIM+XX)*UNROLL+s],
2094                                         dr[(DIM+YY)*UNROLL+s],
2095                                         dr[(DIM+ZZ)*UNROLL+s],
2096                                         f);
2097             s++;
2098             iu += nfa1;
2099         }
2100         while (s < UNROLL && iu < nbonds);
2101     }
2102 #undef UNROLL
2103 }
2104
2105 #endif /* SIMD_BONDEDS */
2106
2107
2108 real idihs(int nbonds,
2109            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2110            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2111            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2112            real lambda, real *dvdlambda,
2113            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2114            int gmx_unused *global_atom_index)
2115 {
2116     int  i, type, ai, aj, ak, al;
2117     int  t1, t2, t3;
2118     real phi, phi0, dphi0, ddphi, sign, vtot;
2119     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2120     real L1, kk, dp, dp2, kA, kB, pA, pB, dvdl_term;
2121
2122     L1        = 1.0-lambda;
2123     dvdl_term = 0;
2124     vtot      = 0.0;
2125     for (i = 0; (i < nbonds); )
2126     {
2127         type = forceatoms[i++];
2128         ai   = forceatoms[i++];
2129         aj   = forceatoms[i++];
2130         ak   = forceatoms[i++];
2131         al   = forceatoms[i++];
2132
2133         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2134                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2135
2136         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2137          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2138          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2139          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2140          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2141          * the potential.
2142          */
2143         kA = forceparams[type].harmonic.krA;
2144         kB = forceparams[type].harmonic.krB;
2145         pA = forceparams[type].harmonic.rA;
2146         pB = forceparams[type].harmonic.rB;
2147
2148         kk    = L1*kA + lambda*kB;
2149         phi0  = (L1*pA + lambda*pB)*DEG2RAD;
2150         dphi0 = (pB - pA)*DEG2RAD;
2151
2152         dp = phi-phi0;
2153
2154         make_dp_periodic(&dp);
2155
2156         dp2 = dp*dp;
2157
2158         vtot += 0.5*kk*dp2;
2159         ddphi = -kk*dp;
2160
2161         dvdl_term += 0.5*(kB - kA)*dp2 - kk*dphi0*dp;
2162
2163         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, (real)(-ddphi), r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2164                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2165         /* 218 TOTAL    */
2166 #ifdef DEBUG
2167         if (debug)
2168         {
2169             fprintf(debug, "idih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
2170                     ai, aj, ak, al, phi);
2171         }
2172 #endif
2173     }
2174
2175     *dvdlambda += dvdl_term;
2176     return vtot;
2177 }
2178
2179
2180 /*! \brief returns dx, rdist, and dpdl for functions posres() and fbposres()
2181  */
2182 static void posres_dx(const rvec x, const rvec pos0A, const rvec pos0B,
2183                       const rvec comA_sc, const rvec comB_sc,
2184                       real lambda,
2185                       t_pbc *pbc, int refcoord_scaling, int npbcdim,
2186                       rvec dx, rvec rdist, rvec dpdl)
2187 {
2188     int  m, d;
2189     real posA, posB, L1, ref = 0.;
2190     rvec pos;
2191
2192     L1 = 1.0-lambda;
2193
2194     for (m = 0; m < DIM; m++)
2195     {
2196         posA = pos0A[m];
2197         posB = pos0B[m];
2198         if (m < npbcdim)
2199         {
2200             switch (refcoord_scaling)
2201             {
2202                 case erscNO:
2203                     ref      = 0;
2204                     rdist[m] = L1*posA + lambda*posB;
2205                     dpdl[m]  = posB - posA;
2206                     break;
2207                 case erscALL:
2208                     /* Box relative coordinates are stored for dimensions with pbc */
2209                     posA *= pbc->box[m][m];
2210                     posB *= pbc->box[m][m];
2211                     for (d = m+1; d < npbcdim; d++)
2212                     {
2213                         posA += pos0A[d]*pbc->box[d][m];
2214                         posB += pos0B[d]*pbc->box[d][m];
2215                     }
2216                     ref      = L1*posA + lambda*posB;
2217                     rdist[m] = 0;
2218                     dpdl[m]  = posB - posA;
2219                     break;
2220                 case erscCOM:
2221                     ref      = L1*comA_sc[m] + lambda*comB_sc[m];
2222                     rdist[m] = L1*posA       + lambda*posB;
2223                     dpdl[m]  = comB_sc[m] - comA_sc[m] + posB - posA;
2224                     break;
2225                 default:
2226                     gmx_fatal(FARGS, "No such scaling method implemented");
2227             }
2228         }
2229         else
2230         {
2231             ref      = L1*posA + lambda*posB;
2232             rdist[m] = 0;
2233             dpdl[m]  = posB - posA;
2234         }
2235
2236         /* We do pbc_dx with ref+rdist,
2237          * since with only ref we can be up to half a box vector wrong.
2238          */
2239         pos[m] = ref + rdist[m];
2240     }
2241
2242     if (pbc)
2243     {
2244         pbc_dx(pbc, x, pos, dx);
2245     }
2246     else
2247     {
2248         rvec_sub(x, pos, dx);
2249     }
2250 }
2251
2252 /*! \brief Adds forces of flat-bottomed positions restraints to f[]
2253  *         and fixes vir_diag. Returns the flat-bottomed potential. */
2254 real fbposres(int nbonds,
2255               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2256               const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2257               t_pbc *pbc,
2258               int refcoord_scaling, int ePBC, rvec com)
2259 /* compute flat-bottomed positions restraints */
2260 {
2261     int              i, ai, m, d, type, npbcdim = 0, fbdim;
2262     const t_iparams *pr;
2263     real             vtot, kk, v;
2264     real             ref = 0, dr, dr2, rpot, rfb, rfb2, fact, invdr;
2265     rvec             com_sc, rdist, pos, dx, dpdl, fm;
2266     gmx_bool         bInvert;
2267
2268     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2269
2270     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2271     {
2272         clear_rvec(com_sc);
2273         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2274         {
2275             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2276             {
2277                 com_sc[m] += com[d]*pbc->box[d][m];
2278             }
2279         }
2280     }
2281
2282     vtot = 0.0;
2283     for (i = 0; (i < nbonds); )
2284     {
2285         type = forceatoms[i++];
2286         ai   = forceatoms[i++];
2287         pr   = &forceparams[type];
2288
2289         /* same calculation as for normal posres, but with identical A and B states, and lambda==0 */
2290         posres_dx(x[ai], forceparams[type].fbposres.pos0, forceparams[type].fbposres.pos0,
2291                   com_sc, com_sc, 0.0,
2292                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2293                   dx, rdist, dpdl);
2294
2295         clear_rvec(fm);
2296         v = 0.0;
2297
2298         kk   = pr->fbposres.k;
2299         rfb  = pr->fbposres.r;
2300         rfb2 = sqr(rfb);
2301
2302         /* with rfb<0, push particle out of the sphere/cylinder/layer */
2303         bInvert = FALSE;
2304         if (rfb < 0.)
2305         {
2306             bInvert = TRUE;
2307             rfb     = -rfb;
2308         }
2309
2310         switch (pr->fbposres.geom)
2311         {
2312             case efbposresSPHERE:
2313                 /* spherical flat-bottom posres */
2314                 dr2 = norm2(dx);
2315                 if (dr2 > 0.0 &&
2316                     ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2317                     )
2318                 {
2319                     dr   = sqrt(dr2);
2320                     v    = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2321                     fact = -kk*(dr-rfb)/dr; /* Force pointing to the center pos0 */
2322                     svmul(fact, dx, fm);
2323                 }
2324                 break;
2325             case efbposresCYLINDER:
2326                 /* cylidrical flat-bottom posres in x-y plane. fm[ZZ] = 0. */
2327                 dr2 = sqr(dx[XX])+sqr(dx[YY]);
2328                 if  (dr2 > 0.0 &&
2329                      ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2330                      )
2331                 {
2332                     dr     = sqrt(dr2);
2333                     invdr  = 1./dr;
2334                     v      = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2335                     fm[XX] = -kk*(dr-rfb)*dx[XX]*invdr; /* Force pointing to the center */
2336                     fm[YY] = -kk*(dr-rfb)*dx[YY]*invdr;
2337                 }
2338                 break;
2339             case efbposresX: /* fbdim=XX */
2340             case efbposresY: /* fbdim=YY */
2341             case efbposresZ: /* fbdim=ZZ */
2342                 /* 1D flat-bottom potential */
2343                 fbdim = pr->fbposres.geom - efbposresX;
2344                 dr    = dx[fbdim];
2345                 if ( ( dr > rfb && bInvert == FALSE ) || ( 0 < dr && dr < rfb && bInvert == TRUE )  )
2346                 {
2347                     v         = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2348                     fm[fbdim] = -kk*(dr - rfb);
2349                 }
2350                 else if ( (dr < (-rfb) && bInvert == FALSE ) || ( (-rfb) < dr && dr < 0 && bInvert == TRUE ))
2351                 {
2352                     v         = 0.5*kk*sqr(dr + rfb);
2353                     fm[fbdim] = -kk*(dr + rfb);
2354                 }
2355                 break;
2356         }
2357
2358         vtot += v;
2359
2360         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2361         {
2362             f[ai][m]   += fm[m];
2363             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2364             vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm[m];
2365         }
2366     }
2367
2368     return vtot;
2369 }
2370
2371
2372 real posres(int nbonds,
2373             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2374             const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2375             t_pbc *pbc,
2376             real lambda, real *dvdlambda,
2377             int refcoord_scaling, int ePBC, rvec comA, rvec comB)
2378 {
2379     int              i, ai, m, d, type, ki, npbcdim = 0;
2380     const t_iparams *pr;
2381     real             L1;
2382     real             vtot, kk, fm;
2383     real             posA, posB, ref = 0;
2384     rvec             comA_sc, comB_sc, rdist, dpdl, pos, dx;
2385     gmx_bool         bForceValid = TRUE;
2386
2387     if ((f == NULL) || (vir_diag == NULL))    /* should both be null together! */
2388     {
2389         bForceValid = FALSE;
2390     }
2391
2392     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2393
2394     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2395     {
2396         clear_rvec(comA_sc);
2397         clear_rvec(comB_sc);
2398         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2399         {
2400             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2401             {
2402                 comA_sc[m] += comA[d]*pbc->box[d][m];
2403                 comB_sc[m] += comB[d]*pbc->box[d][m];
2404             }
2405         }
2406     }
2407
2408     L1 = 1.0 - lambda;
2409
2410     vtot = 0.0;
2411     for (i = 0; (i < nbonds); )
2412     {
2413         type = forceatoms[i++];
2414         ai   = forceatoms[i++];
2415         pr   = &forceparams[type];
2416
2417         /* return dx, rdist, and dpdl */
2418         posres_dx(x[ai], forceparams[type].posres.pos0A, forceparams[type].posres.pos0B,
2419                   comA_sc, comB_sc, lambda,
2420                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2421                   dx, rdist, dpdl);
2422
2423         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2424         {
2425             kk          = L1*pr->posres.fcA[m] + lambda*pr->posres.fcB[m];
2426             fm          = -kk*dx[m];
2427             vtot       += 0.5*kk*dx[m]*dx[m];
2428             *dvdlambda +=
2429                 0.5*(pr->posres.fcB[m] - pr->posres.fcA[m])*dx[m]*dx[m]
2430                 -fm*dpdl[m];
2431
2432             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2433             if (bForceValid)
2434             {
2435                 f[ai][m]    += fm;
2436                 vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm;
2437             }
2438         }
2439     }
2440
2441     return vtot;
2442 }
2443
2444 static real low_angres(int nbonds,
2445                        const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2446                        const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2447                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2448                        real lambda, real *dvdlambda,
2449                        gmx_bool bZAxis)
2450 {
2451     int  i, m, type, ai, aj, ak, al;
2452     int  t1, t2;
2453     real phi, cos_phi, cos_phi2, vid, vtot, dVdphi;
2454     rvec r_ij, r_kl, f_i, f_k = {0, 0, 0};
2455     real st, sth, nrij2, nrkl2, c, cij, ckl;
2456
2457     ivec dt;
2458     t2 = 0; /* avoid warning with gcc-3.3. It is never used uninitialized */
2459
2460     vtot = 0.0;
2461     ak   = al = 0; /* to avoid warnings */
2462     for (i = 0; i < nbonds; )
2463     {
2464         type = forceatoms[i++];
2465         ai   = forceatoms[i++];
2466         aj   = forceatoms[i++];
2467         t1   = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], r_ij);       /*  3               */
2468         if (!bZAxis)
2469         {
2470             ak   = forceatoms[i++];
2471             al   = forceatoms[i++];
2472             t2   = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], r_kl);  /*  3                */
2473         }
2474         else
2475         {
2476             r_kl[XX] = 0;
2477             r_kl[YY] = 0;
2478             r_kl[ZZ] = 1;
2479         }
2480
2481         cos_phi = cos_angle(r_ij, r_kl); /* 25          */
2482         phi     = acos(cos_phi);         /* 10           */
2483
2484         *dvdlambda += dopdihs_min(forceparams[type].pdihs.cpA,
2485                                   forceparams[type].pdihs.cpB,
2486                                   forceparams[type].pdihs.phiA,
2487                                   forceparams[type].pdihs.phiB,
2488                                   forceparams[type].pdihs.mult,
2489                                   phi, lambda, &vid, &dVdphi); /*  40  */
2490
2491         vtot += vid;
2492
2493         cos_phi2 = sqr(cos_phi);                /*   1          */
2494         if (cos_phi2 < 1)
2495         {
2496             st    = -dVdphi*gmx_invsqrt(1 - cos_phi2); /*  12           */
2497             sth   = st*cos_phi;                        /*   1           */
2498             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);                 /*   5           */
2499             nrkl2 = iprod(r_kl, r_kl);                 /*   5          */
2500
2501             c   = st*gmx_invsqrt(nrij2*nrkl2);         /*  11           */
2502             cij = sth/nrij2;                           /*  10           */
2503             ckl = sth/nrkl2;                           /*  10           */
2504
2505             for (m = 0; m < DIM; m++)                  /*  18+18       */
2506             {
2507                 f_i[m]    = (c*r_kl[m]-cij*r_ij[m]);
2508                 f[ai][m] += f_i[m];
2509                 f[aj][m] -= f_i[m];
2510                 if (!bZAxis)
2511                 {
2512                     f_k[m]    = (c*r_ij[m]-ckl*r_kl[m]);
2513                     f[ak][m] += f_k[m];
2514                     f[al][m] -= f_k[m];
2515                 }
2516             }
2517
2518             if (g)
2519             {
2520                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
2521                 t1 = IVEC2IS(dt);
2522             }
2523             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2524             rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_i);
2525             if (!bZAxis)
2526             {
2527                 if (g)
2528                 {
2529                     ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, al), dt);
2530                     t2 = IVEC2IS(dt);
2531                 }
2532                 rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2533                 rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_k);
2534             }
2535         }
2536     }
2537
2538     return vtot; /*  184 / 157 (bZAxis)  total  */
2539 }
2540
2541 real angres(int nbonds,
2542             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2543             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2544             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2545             real lambda, real *dvdlambda,
2546             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2547             int gmx_unused *global_atom_index)
2548 {
2549     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2550                       lambda, dvdlambda, FALSE);
2551 }
2552
2553 real angresz(int nbonds,
2554              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2555              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2556              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2557              real lambda, real *dvdlambda,
2558              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2559              int gmx_unused *global_atom_index)
2560 {
2561     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2562                       lambda, dvdlambda, TRUE);
2563 }
2564
2565 real dihres(int nbonds,
2566             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2567             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2568             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2569             real lambda, real *dvdlambda,
2570             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2571             int gmx_unused  *global_atom_index)
2572 {
2573     real vtot = 0;
2574     int  ai, aj, ak, al, i, k, type, t1, t2, t3;
2575     real phi0A, phi0B, dphiA, dphiB, kfacA, kfacB, phi0, dphi, kfac;
2576     real phi, ddphi, ddp, ddp2, dp, sign, d2r, fc, L1;
2577     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2578
2579     L1 = 1.0-lambda;
2580
2581     d2r = DEG2RAD;
2582     k   = 0;
2583
2584     for (i = 0; (i < nbonds); )
2585     {
2586         type = forceatoms[i++];
2587         ai   = forceatoms[i++];
2588         aj   = forceatoms[i++];
2589         ak   = forceatoms[i++];
2590         al   = forceatoms[i++];
2591
2592         phi0A  = forceparams[type].dihres.phiA*d2r;
2593         dphiA  = forceparams[type].dihres.dphiA*d2r;
2594         kfacA  = forceparams[type].dihres.kfacA;
2595
2596         phi0B  = forceparams[type].dihres.phiB*d2r;
2597         dphiB  = forceparams[type].dihres.dphiB*d2r;
2598         kfacB  = forceparams[type].dihres.kfacB;
2599
2600         phi0  = L1*phi0A + lambda*phi0B;
2601         dphi  = L1*dphiA + lambda*dphiB;
2602         kfac  = L1*kfacA + lambda*kfacB;
2603
2604         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2605                         &sign, &t1, &t2, &t3);
2606         /* 84 flops */
2607
2608         if (debug)
2609         {
2610             fprintf(debug, "dihres[%d]: %d %d %d %d : phi=%f, dphi=%f, kfac=%f\n",
2611                     k++, ai, aj, ak, al, phi0, dphi, kfac);
2612         }
2613         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2614          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2615          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2616          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2617          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2618          * the potential.
2619          */
2620         dp = phi-phi0;
2621         make_dp_periodic(&dp);
2622
2623         if (dp > dphi)
2624         {
2625             ddp = dp-dphi;
2626         }
2627         else if (dp < -dphi)
2628         {
2629             ddp = dp+dphi;
2630         }
2631         else
2632         {
2633             ddp = 0;
2634         }
2635
2636         if (ddp != 0.0)
2637         {
2638             ddp2  = ddp*ddp;
2639             vtot += 0.5*kfac*ddp2;
2640             ddphi = kfac*ddp;
2641
2642             *dvdlambda += 0.5*(kfacB - kfacA)*ddp2;
2643             /* lambda dependence from changing restraint distances */
2644             if (ddp > 0)
2645             {
2646                 *dvdlambda -= kfac*ddp*((dphiB - dphiA)+(phi0B - phi0A));
2647             }
2648             else if (ddp < 0)
2649             {
2650                 *dvdlambda += kfac*ddp*((dphiB - dphiA)-(phi0B - phi0A));
2651             }
2652             do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2653                        f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3);      /* 112           */
2654         }
2655     }
2656     return vtot;
2657 }
2658
2659
2660 real unimplemented(int gmx_unused nbonds,
2661                    const t_iatom gmx_unused forceatoms[], const t_iparams gmx_unused forceparams[],
2662                    const rvec gmx_unused x[], rvec gmx_unused f[], rvec gmx_unused fshift[],
2663                    const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph  gmx_unused *g,
2664                    real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2665                    const t_mdatoms  gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2666                    int gmx_unused *global_atom_index)
2667 {
2668     gmx_impl("*** you are using a not implemented function");
2669
2670     return 0.0; /* To make the compiler happy */
2671 }
2672
2673 real rbdihs(int nbonds,
2674             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2675             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2676             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2677             real lambda, real *dvdlambda,
2678             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2679             int gmx_unused *global_atom_index)
2680 {
2681     const real c0 = 0.0, c1 = 1.0, c2 = 2.0, c3 = 3.0, c4 = 4.0, c5 = 5.0;
2682     int        type, ai, aj, ak, al, i, j;
2683     int        t1, t2, t3;
2684     rvec       r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2685     real       parmA[NR_RBDIHS];
2686     real       parmB[NR_RBDIHS];
2687     real       parm[NR_RBDIHS];
2688     real       cos_phi, phi, rbp, rbpBA;
2689     real       v, sign, ddphi, sin_phi;
2690     real       cosfac, vtot;
2691     real       L1        = 1.0-lambda;
2692     real       dvdl_term = 0;
2693
2694     vtot = 0.0;
2695     for (i = 0; (i < nbonds); )
2696     {
2697         type = forceatoms[i++];
2698         ai   = forceatoms[i++];
2699         aj   = forceatoms[i++];
2700         ak   = forceatoms[i++];
2701         al   = forceatoms[i++];
2702
2703         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2704                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2705
2706         /* Change to polymer convention */
2707         if (phi < c0)
2708         {
2709             phi += M_PI;
2710         }
2711         else
2712         {
2713             phi -= M_PI;    /*   1              */
2714
2715         }
2716         cos_phi = cos(phi);
2717         /* Beware of accuracy loss, cannot use 1-sqrt(cos^2) ! */
2718         sin_phi = sin(phi);
2719
2720         for (j = 0; (j < NR_RBDIHS); j++)
2721         {
2722             parmA[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcA[j];
2723             parmB[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcB[j];
2724             parm[j]  = L1*parmA[j]+lambda*parmB[j];
2725         }
2726         /* Calculate cosine powers */
2727         /* Calculate the energy */
2728         /* Calculate the derivative */
2729
2730         v            = parm[0];
2731         dvdl_term   += (parmB[0]-parmA[0]);
2732         ddphi        = c0;
2733         cosfac       = c1;
2734
2735         rbp          = parm[1];
2736         rbpBA        = parmB[1]-parmA[1];
2737         ddphi       += rbp*cosfac;
2738         cosfac      *= cos_phi;
2739         v           += cosfac*rbp;
2740         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2741         rbp          = parm[2];
2742         rbpBA        = parmB[2]-parmA[2];
2743         ddphi       += c2*rbp*cosfac;
2744         cosfac      *= cos_phi;
2745         v           += cosfac*rbp;
2746         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2747         rbp          = parm[3];
2748         rbpBA        = parmB[3]-parmA[3];
2749         ddphi       += c3*rbp*cosfac;
2750         cosfac      *= cos_phi;
2751         v           += cosfac*rbp;
2752         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2753         rbp          = parm[4];
2754         rbpBA        = parmB[4]-parmA[4];
2755         ddphi       += c4*rbp*cosfac;
2756         cosfac      *= cos_phi;
2757         v           += cosfac*rbp;
2758         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2759         rbp          = parm[5];
2760         rbpBA        = parmB[5]-parmA[5];
2761         ddphi       += c5*rbp*cosfac;
2762         cosfac      *= cos_phi;
2763         v           += cosfac*rbp;
2764         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
2765
2766         ddphi = -ddphi*sin_phi;         /*  11          */
2767
2768         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2769                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2770         vtot += v;
2771     }
2772     *dvdlambda += dvdl_term;
2773
2774     return vtot;
2775 }
2776
2777 int cmap_setup_grid_index(int ip, int grid_spacing, int *ipm1, int *ipp1, int *ipp2)
2778 {
2779     int im1, ip1, ip2;
2780
2781     if (ip < 0)
2782     {
2783         ip = ip + grid_spacing - 1;
2784     }
2785     else if (ip > grid_spacing)
2786     {
2787         ip = ip - grid_spacing - 1;
2788     }
2789
2790     im1 = ip - 1;
2791     ip1 = ip + 1;
2792     ip2 = ip + 2;
2793
2794     if (ip == 0)
2795     {
2796         im1 = grid_spacing - 1;
2797     }
2798     else if (ip == grid_spacing-2)
2799     {
2800         ip2 = 0;
2801     }
2802     else if (ip == grid_spacing-1)
2803     {
2804         ip1 = 0;
2805         ip2 = 1;
2806     }
2807
2808     *ipm1 = im1;
2809     *ipp1 = ip1;
2810     *ipp2 = ip2;
2811
2812     return ip;
2813
2814 }
2815
2816 real cmap_dihs(int nbonds,
2817                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2818                const gmx_cmap_t *cmap_grid,
2819                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2820                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2821                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2822                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2823                int  gmx_unused *global_atom_index)
2824 {
2825     int         i, j, k, n, idx;
2826     int         ai, aj, ak, al, am;
2827     int         a1i, a1j, a1k, a1l, a2i, a2j, a2k, a2l;
2828     int         type, cmapA;
2829     int         t11, t21, t31, t12, t22, t32;
2830     int         iphi1, ip1m1, ip1p1, ip1p2;
2831     int         iphi2, ip2m1, ip2p1, ip2p2;
2832     int         l1, l2, l3, l4;
2833     int         pos1, pos2, pos3, pos4, tmp;
2834
2835     real        ty[4], ty1[4], ty2[4], ty12[4], tc[16], tx[16];
2836     real        phi1, psi1, cos_phi1, sin_phi1, sign1, xphi1;
2837     real        phi2, psi2, cos_phi2, sin_phi2, sign2, xphi2;
2838     real        dx, xx, tt, tu, e, df1, df2, ddf1, ddf2, ddf12, vtot;
2839     real        ra21, rb21, rg21, rg1, rgr1, ra2r1, rb2r1, rabr1;
2840     real        ra22, rb22, rg22, rg2, rgr2, ra2r2, rb2r2, rabr2;
2841     real        fg1, hg1, fga1, hgb1, gaa1, gbb1;
2842     real        fg2, hg2, fga2, hgb2, gaa2, gbb2;
2843     real        fac;
2844
2845     rvec        r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1;
2846     rvec        r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2;
2847     rvec        f1_i, f1_j, f1_k, f1_l;
2848     rvec        f2_i, f2_j, f2_k, f2_l;
2849     rvec        a1, b1, a2, b2;
2850     rvec        f1, g1, h1, f2, g2, h2;
2851     rvec        dtf1, dtg1, dth1, dtf2, dtg2, dth2;
2852     ivec        jt1, dt1_ij, dt1_kj, dt1_lj;
2853     ivec        jt2, dt2_ij, dt2_kj, dt2_lj;
2854
2855     const real *cmapd;
2856
2857     int         loop_index[4][4] = {
2858         {0, 4, 8, 12},
2859         {1, 5, 9, 13},
2860         {2, 6, 10, 14},
2861         {3, 7, 11, 15}
2862     };
2863
2864     /* Total CMAP energy */
2865     vtot = 0;
2866
2867     for (n = 0; n < nbonds; )
2868     {
2869         /* Five atoms are involved in the two torsions */
2870         type   = forceatoms[n++];
2871         ai     = forceatoms[n++];
2872         aj     = forceatoms[n++];
2873         ak     = forceatoms[n++];
2874         al     = forceatoms[n++];
2875         am     = forceatoms[n++];
2876
2877         /* Which CMAP type is this */
2878         cmapA = forceparams[type].cmap.cmapA;
2879         cmapd = cmap_grid->cmapdata[cmapA].cmap;
2880
2881         /* First torsion */
2882         a1i   = ai;
2883         a1j   = aj;
2884         a1k   = ak;
2885         a1l   = al;
2886
2887         phi1  = dih_angle(x[a1i], x[a1j], x[a1k], x[a1l], pbc, r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1,
2888                           &sign1, &t11, &t21, &t31);  /* 84 */
2889
2890         cos_phi1 = cos(phi1);
2891
2892         a1[0] = r1_ij[1]*r1_kj[2]-r1_ij[2]*r1_kj[1];
2893         a1[1] = r1_ij[2]*r1_kj[0]-r1_ij[0]*r1_kj[2];
2894         a1[2] = r1_ij[0]*r1_kj[1]-r1_ij[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2895
2896         b1[0] = r1_kl[1]*r1_kj[2]-r1_kl[2]*r1_kj[1];
2897         b1[1] = r1_kl[2]*r1_kj[0]-r1_kl[0]*r1_kj[2];
2898         b1[2] = r1_kl[0]*r1_kj[1]-r1_kl[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
2899
2900         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1k], h1);
2901
2902         ra21  = iprod(a1, a1);       /* 5 */
2903         rb21  = iprod(b1, b1);       /* 5 */
2904         rg21  = iprod(r1_kj, r1_kj); /* 5 */
2905         rg1   = sqrt(rg21);
2906
2907         rgr1  = 1.0/rg1;
2908         ra2r1 = 1.0/ra21;
2909         rb2r1 = 1.0/rb21;
2910         rabr1 = sqrt(ra2r1*rb2r1);
2911
2912         sin_phi1 = rg1 * rabr1 * iprod(a1, h1) * (-1);
2913
2914         if (cos_phi1 < -0.5 || cos_phi1 > 0.5)
2915         {
2916             phi1 = asin(sin_phi1);
2917
2918             if (cos_phi1 < 0)
2919             {
2920                 if (phi1 > 0)
2921                 {
2922                     phi1 = M_PI - phi1;
2923                 }
2924                 else
2925                 {
2926                     phi1 = -M_PI - phi1;
2927                 }
2928             }
2929         }
2930         else
2931         {
2932             phi1 = acos(cos_phi1);
2933
2934             if (sin_phi1 < 0)
2935             {
2936                 phi1 = -phi1;
2937             }
2938         }
2939
2940         xphi1 = phi1 + M_PI; /* 1 */
2941
2942         /* Second torsion */
2943         a2i   = aj;
2944         a2j   = ak;
2945         a2k   = al;
2946         a2l   = am;
2947
2948         phi2  = dih_angle(x[a2i], x[a2j], x[a2k], x[a2l], pbc, r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2,
2949                           &sign2, &t12, &t22, &t32); /* 84 */
2950
2951         cos_phi2 = cos(phi2);
2952
2953         a2[0] = r2_ij[1]*r2_kj[2]-r2_ij[2]*r2_kj[1];
2954         a2[1] = r2_ij[2]*r2_kj[0]-r2_ij[0]*r2_kj[2];
2955         a2[2] = r2_ij[0]*r2_kj[1]-r2_ij[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2956
2957         b2[0] = r2_kl[1]*r2_kj[2]-r2_kl[2]*r2_kj[1];
2958         b2[1] = r2_kl[2]*r2_kj[0]-r2_kl[0]*r2_kj[2];
2959         b2[2] = r2_kl[0]*r2_kj[1]-r2_kl[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
2960
2961         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2k], h2);
2962
2963         ra22  = iprod(a2, a2);         /* 5 */
2964         rb22  = iprod(b2, b2);         /* 5 */
2965         rg22  = iprod(r2_kj, r2_kj);   /* 5 */
2966         rg2   = sqrt(rg22);
2967
2968         rgr2  = 1.0/rg2;
2969         ra2r2 = 1.0/ra22;
2970         rb2r2 = 1.0/rb22;
2971         rabr2 = sqrt(ra2r2*rb2r2);
2972
2973         sin_phi2 = rg2 * rabr2 * iprod(a2, h2) * (-1);
2974
2975         if (cos_phi2 < -0.5 || cos_phi2 > 0.5)
2976         {
2977             phi2 = asin(sin_phi2);
2978
2979             if (cos_phi2 < 0)
2980             {
2981                 if (phi2 > 0)
2982                 {
2983                     phi2 = M_PI - phi2;
2984                 }
2985                 else
2986                 {
2987                     phi2 = -M_PI - phi2;
2988                 }
2989             }
2990         }
2991         else
2992         {
2993             phi2 = acos(cos_phi2);
2994
2995             if (sin_phi2 < 0)
2996             {
2997                 phi2 = -phi2;
2998             }
2999         }
3000
3001         xphi2 = phi2 + M_PI; /* 1 */
3002
3003         /* Range mangling */
3004         if (xphi1 < 0)
3005         {
3006             xphi1 = xphi1 + 2*M_PI;
3007         }
3008         else if (xphi1 >= 2*M_PI)
3009         {
3010             xphi1 = xphi1 - 2*M_PI;
3011         }
3012
3013         if (xphi2 < 0)
3014         {
3015             xphi2 = xphi2 + 2*M_PI;
3016         }
3017         else if (xphi2 >= 2*M_PI)
3018         {
3019             xphi2 = xphi2 - 2*M_PI;
3020         }
3021
3022         /* Number of grid points */
3023         dx = 2*M_PI / cmap_grid->grid_spacing;
3024
3025         /* Where on the grid are we */
3026         iphi1 = (int)(xphi1/dx);
3027         iphi2 = (int)(xphi2/dx);
3028
3029         iphi1 = cmap_setup_grid_index(iphi1, cmap_grid->grid_spacing, &ip1m1, &ip1p1, &ip1p2);
3030         iphi2 = cmap_setup_grid_index(iphi2, cmap_grid->grid_spacing, &ip2m1, &ip2p1, &ip2p2);
3031
3032         pos1    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3033         pos2    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3034         pos3    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3035         pos4    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3036
3037         ty[0]   = cmapd[pos1*4];
3038         ty[1]   = cmapd[pos2*4];
3039         ty[2]   = cmapd[pos3*4];
3040         ty[3]   = cmapd[pos4*4];
3041
3042         ty1[0]   = cmapd[pos1*4+1];
3043         ty1[1]   = cmapd[pos2*4+1];
3044         ty1[2]   = cmapd[pos3*4+1];
3045         ty1[3]   = cmapd[pos4*4+1];
3046
3047         ty2[0]   = cmapd[pos1*4+2];
3048         ty2[1]   = cmapd[pos2*4+2];
3049         ty2[2]   = cmapd[pos3*4+2];
3050         ty2[3]   = cmapd[pos4*4+2];
3051
3052         ty12[0]   = cmapd[pos1*4+3];
3053         ty12[1]   = cmapd[pos2*4+3];
3054         ty12[2]   = cmapd[pos3*4+3];
3055         ty12[3]   = cmapd[pos4*4+3];
3056
3057         /* Switch to degrees */
3058         dx    = 360.0 / cmap_grid->grid_spacing;
3059         xphi1 = xphi1 * RAD2DEG;
3060         xphi2 = xphi2 * RAD2DEG;
3061
3062         for (i = 0; i < 4; i++) /* 16 */
3063         {
3064             tx[i]    = ty[i];
3065             tx[i+4]  = ty1[i]*dx;
3066             tx[i+8]  = ty2[i]*dx;
3067             tx[i+12] = ty12[i]*dx*dx;
3068         }
3069
3070         idx = 0;
3071         for (i = 0; i < 4; i++) /* 1056 */
3072         {
3073             for (j = 0; j < 4; j++)
3074             {
3075                 xx = 0;
3076                 for (k = 0; k < 16; k++)
3077                 {
3078                     xx = xx + cmap_coeff_matrix[k*16+idx]*tx[k];
3079                 }
3080
3081                 idx++;
3082                 tc[i*4+j] = xx;
3083             }
3084         }
3085
3086         tt    = (xphi1-iphi1*dx)/dx;
3087         tu    = (xphi2-iphi2*dx)/dx;
3088
3089         e     = 0;
3090         df1   = 0;
3091         df2   = 0;
3092         ddf1  = 0;
3093         ddf2  = 0;
3094         ddf12 = 0;
3095
3096         for (i = 3; i >= 0; i--)
3097         {
3098             l1 = loop_index[i][3];
3099             l2 = loop_index[i][2];
3100             l3 = loop_index[i][1];
3101
3102             e     = tt * e    + ((tc[i*4+3]*tu+tc[i*4+2])*tu + tc[i*4+1])*tu+tc[i*4];
3103             df1   = tu * df1  + (3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2])*tt+tc[l3];
3104             df2   = tt * df2  + (3.0*tc[i*4+3]*tu+2.0*tc[i*4+2])*tu+tc[i*4+1];
3105             ddf1  = tu * ddf1 + 2.0*3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2];
3106             ddf2  = tt * ddf2 + 2.0*3.0*tc[4*i+3]*tu+2.0*tc[4*i+2];
3107         }
3108
3109         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) +
3110             3.0*tu*tu*(tc[7]+2.0*tc[11]*tt+3.0*tc[15]*tt*tt);
3111
3112         fac     = RAD2DEG/dx;
3113         df1     = df1   * fac;
3114         df2     = df2   * fac;
3115         ddf1    = ddf1  * fac * fac;
3116         ddf2    = ddf2  * fac * fac;
3117         ddf12   = ddf12 * fac * fac;
3118
3119         /* CMAP energy */
3120         vtot += e;
3121
3122         /* Do forces - first torsion */
3123         fg1       = iprod(r1_ij, r1_kj);
3124         hg1       = iprod(r1_kl, r1_kj);
3125         fga1      = fg1*ra2r1*rgr1;
3126         hgb1      = hg1*rb2r1*rgr1;
3127         gaa1      = -ra2r1*rg1;
3128         gbb1      = rb2r1*rg1;
3129
3130         for (i = 0; i < DIM; i++)
3131         {
3132             dtf1[i]   = gaa1 * a1[i];
3133             dtg1[i]   = fga1 * a1[i] - hgb1 * b1[i];
3134             dth1[i]   = gbb1 * b1[i];
3135
3136             f1[i]     = df1  * dtf1[i];
3137             g1[i]     = df1  * dtg1[i];
3138             h1[i]     = df1  * dth1[i];
3139
3140             f1_i[i]   =  f1[i];
3141             f1_j[i]   = -f1[i] - g1[i];
3142             f1_k[i]   =  h1[i] + g1[i];
3143             f1_l[i]   = -h1[i];
3144
3145             f[a1i][i] = f[a1i][i] + f1_i[i];
3146             f[a1j][i] = f[a1j][i] + f1_j[i]; /* - f1[i] - g1[i] */
3147             f[a1k][i] = f[a1k][i] + f1_k[i]; /* h1[i] + g1[i] */
3148             f[a1l][i] = f[a1l][i] + f1_l[i]; /* h1[i] */
3149         }
3150
3151         /* Do forces - second torsion */
3152         fg2       = iprod(r2_ij, r2_kj);
3153         hg2       = iprod(r2_kl, r2_kj);
3154         fga2      = fg2*ra2r2*rgr2;
3155         hgb2      = hg2*rb2r2*rgr2;
3156         gaa2      = -ra2r2*rg2;
3157         gbb2      = rb2r2*rg2;
3158
3159         for (i = 0; i < DIM; i++)
3160         {
3161             dtf2[i]   = gaa2 * a2[i];
3162             dtg2[i]   = fga2 * a2[i] - hgb2 * b2[i];
3163             dth2[i]   = gbb2 * b2[i];
3164
3165             f2[i]     = df2  * dtf2[i];
3166             g2[i]     = df2  * dtg2[i];
3167             h2[i]     = df2  * dth2[i];
3168
3169             f2_i[i]   =  f2[i];
3170             f2_j[i]   = -f2[i] - g2[i];
3171             f2_k[i]   =  h2[i] + g2[i];
3172             f2_l[i]   = -h2[i];
3173
3174             f[a2i][i] = f[a2i][i] + f2_i[i]; /* f2[i] */
3175             f[a2j][i] = f[a2j][i] + f2_j[i]; /* - f2[i] - g2[i] */
3176             f[a2k][i] = f[a2k][i] + f2_k[i]; /* h2[i] + g2[i] */
3177             f[a2l][i] = f[a2l][i] + f2_l[i]; /* - h2[i] */
3178         }
3179
3180         /* Shift forces */
3181         if (g)
3182         {
3183             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a1j), jt1);
3184             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1i),  jt1, dt1_ij);
3185             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1k),  jt1, dt1_kj);
3186             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1l),  jt1, dt1_lj);
3187             t11 = IVEC2IS(dt1_ij);
3188             t21 = IVEC2IS(dt1_kj);
3189             t31 = IVEC2IS(dt1_lj);
3190
3191             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a2j), jt2);
3192             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2i),  jt2, dt2_ij);
3193             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2k),  jt2, dt2_kj);
3194             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2l),  jt2, dt2_lj);
3195             t12 = IVEC2IS(dt2_ij);
3196             t22 = IVEC2IS(dt2_kj);
3197             t32 = IVEC2IS(dt2_lj);
3198         }
3199         else if (pbc)
3200         {
3201             t31 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1j], h1);
3202             t32 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2j], h2);
3203         }
3204         else
3205         {
3206             t31 = CENTRAL;
3207             t32 = CENTRAL;
3208         }
3209
3210         rvec_inc(fshift[t11], f1_i);
3211         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f1_j);
3212         rvec_inc(fshift[t21], f1_k);
3213         rvec_inc(fshift[t31], f1_l);
3214
3215         rvec_inc(fshift[t21], f2_i);
3216         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f2_j);
3217         rvec_inc(fshift[t22], f2_k);
3218         rvec_inc(fshift[t32], f2_l);
3219     }
3220     return vtot;
3221 }
3222
3223
3224
3225 /***********************************************************
3226  *
3227  *   G R O M O S  9 6   F U N C T I O N S
3228  *
3229  ***********************************************************/
3230 real g96harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
3231                  real *V, real *F)
3232 {
3233     const real half = 0.5;
3234     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
3235     real       v, f, dvdlambda;
3236
3237     L1    = 1.0-lambda;
3238     kk    = L1*kA+lambda*kB;
3239     x0    = L1*xA+lambda*xB;
3240
3241     dx    = x-x0;
3242     dx2   = dx*dx;
3243
3244     f          = -kk*dx;
3245     v          = half*kk*dx2;
3246     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
3247
3248     *F    = f;
3249     *V    = v;
3250
3251     return dvdlambda;
3252
3253     /* That was 21 flops */
3254 }
3255
3256 real g96bonds(int nbonds,
3257               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3258               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3259               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3260               real lambda, real *dvdlambda,
3261               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3262               int gmx_unused *global_atom_index)
3263 {
3264     int  i, m, ki, ai, aj, type;
3265     real dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3266     rvec dx;
3267     ivec dt;
3268
3269     vtot = 0.0;
3270     for (i = 0; (i < nbonds); )
3271     {
3272         type = forceatoms[i++];
3273         ai   = forceatoms[i++];
3274         aj   = forceatoms[i++];
3275
3276         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3277         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3278
3279         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3280                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3281                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3282                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3283                                   dr2, lambda, &vbond, &fbond);
3284
3285         vtot  += 0.5*vbond;                         /* 1*/
3286 #ifdef DEBUG
3287         if (debug)
3288         {
3289             fprintf(debug, "G96-BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3290                     sqrt(dr2), vbond, fbond);
3291         }
3292 #endif
3293
3294         if (g)
3295         {
3296             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3297             ki = IVEC2IS(dt);
3298         }
3299         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3300         {
3301             fij                 = fbond*dx[m];
3302             f[ai][m]           += fij;
3303             f[aj][m]           -= fij;
3304             fshift[ki][m]      += fij;
3305             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3306         }
3307     }               /* 44 TOTAL */
3308     return vtot;
3309 }
3310
3311 real g96bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
3312                    rvec r_ij, rvec r_kj,
3313                    int *t1, int *t2)
3314 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
3315 {
3316     real costh;
3317
3318     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
3319     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
3320
3321     costh = cos_angle(r_ij, r_kj);         /* 25                */
3322     /* 41 TOTAL */
3323     return costh;
3324 }
3325
3326 real g96angles(int nbonds,
3327                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3328                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3329                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3330                real lambda, real *dvdlambda,
3331                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3332                int gmx_unused *global_atom_index)
3333 {
3334     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3335     rvec r_ij, r_kj;
3336     real cos_theta, dVdt, va, vtot;
3337     real rij_1, rij_2, rkj_1, rkj_2, rijrkj_1;
3338     rvec f_i, f_j, f_k;
3339     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3340
3341     vtot = 0.0;
3342     for (i = 0; (i < nbonds); )
3343     {
3344         type = forceatoms[i++];
3345         ai   = forceatoms[i++];
3346         aj   = forceatoms[i++];
3347         ak   = forceatoms[i++];
3348
3349         cos_theta  = g96bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc, r_ij, r_kj, &t1, &t2);
3350
3351         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3352                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3353                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3354                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3355                                   cos_theta, lambda, &va, &dVdt);
3356         vtot    += va;
3357
3358         rij_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_ij, r_ij));
3359         rkj_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_kj, r_kj));
3360         rij_2    = rij_1*rij_1;
3361         rkj_2    = rkj_1*rkj_1;
3362         rijrkj_1 = rij_1*rkj_1;                 /* 23 */
3363
3364 #ifdef DEBUG
3365         if (debug)
3366         {
3367             fprintf(debug, "G96ANGLES: costheta = %10g  vth = %10g  dV/dct = %10g\n",
3368                     cos_theta, va, dVdt);
3369         }
3370 #endif
3371         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  42  */
3372         {
3373             f_i[m]    = dVdt*(r_kj[m]*rijrkj_1 - r_ij[m]*rij_2*cos_theta);
3374             f_k[m]    = dVdt*(r_ij[m]*rijrkj_1 - r_kj[m]*rkj_2*cos_theta);
3375             f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3376             f[ai][m] += f_i[m];
3377             f[aj][m] += f_j[m];
3378             f[ak][m] += f_k[m];
3379         }
3380
3381         if (g)
3382         {
3383             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3384
3385             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3386             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3387             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3388             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3389         }
3390         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3391         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3392         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3393         /* 163 TOTAL    */
3394     }
3395     return vtot;
3396 }
3397
3398 real cross_bond_bond(int nbonds,
3399                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3400                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3401                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3402                      real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3403                      const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused  *fcd,
3404                      int gmx_unused *global_atom_index)
3405 {
3406     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3407      * pp. 842-847
3408      */
3409     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3410     rvec r_ij, r_kj;
3411     real vtot, vrr, s1, s2, r1, r2, r1e, r2e, krr;
3412     rvec f_i, f_j, f_k;
3413     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3414
3415     vtot = 0.0;
3416     for (i = 0; (i < nbonds); )
3417     {
3418         type = forceatoms[i++];
3419         ai   = forceatoms[i++];
3420         aj   = forceatoms[i++];
3421         ak   = forceatoms[i++];
3422         r1e  = forceparams[type].cross_bb.r1e;
3423         r2e  = forceparams[type].cross_bb.r2e;
3424         krr  = forceparams[type].cross_bb.krr;
3425
3426         /* Compute distance vectors ... */
3427         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3428         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3429
3430         /* ... and their lengths */
3431         r1 = norm(r_ij);
3432         r2 = norm(r_kj);
3433
3434         /* Deviations from ideality */
3435         s1 = r1-r1e;
3436         s2 = r2-r2e;
3437
3438         /* Energy (can be negative!) */
3439         vrr   = krr*s1*s2;
3440         vtot += vrr;
3441
3442         /* Forces */
3443         svmul(-krr*s2/r1, r_ij, f_i);
3444         svmul(-krr*s1/r2, r_kj, f_k);
3445
3446         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3447         {
3448             f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
3449             f[ai][m] += f_i[m];
3450             f[aj][m] += f_j[m];
3451             f[ak][m] += f_k[m];
3452         }
3453
3454         /* Virial stuff */
3455         if (g)
3456         {
3457             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3458
3459             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3460             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3461             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3462             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3463         }
3464         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3465         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3466         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3467         /* 163 TOTAL    */
3468     }
3469     return vtot;
3470 }
3471
3472 real cross_bond_angle(int nbonds,
3473                       const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3474                       const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3475                       const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3476                       real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3477                       const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3478                       int gmx_unused *global_atom_index)
3479 {
3480     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3481      * pp. 842-847
3482      */
3483     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2, t3;
3484     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
3485     real vtot, vrt, s1, s2, s3, r1, r2, r3, r1e, r2e, r3e, krt, k1, k2, k3;
3486     rvec f_i, f_j, f_k;
3487     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3488
3489     vtot = 0.0;
3490     for (i = 0; (i < nbonds); )
3491     {
3492         type = forceatoms[i++];
3493         ai   = forceatoms[i++];
3494         aj   = forceatoms[i++];
3495         ak   = forceatoms[i++];
3496         r1e  = forceparams[type].cross_ba.r1e;
3497         r2e  = forceparams[type].cross_ba.r2e;
3498         r3e  = forceparams[type].cross_ba.r3e;
3499         krt  = forceparams[type].cross_ba.krt;
3500
3501         /* Compute distance vectors ... */
3502         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3503         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3504         t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);
3505
3506         /* ... and their lengths */
3507         r1 = norm(r_ij);
3508         r2 = norm(r_kj);
3509         r3 = norm(r_ik);
3510
3511         /* Deviations from ideality */
3512         s1 = r1-r1e;
3513         s2 = r2-r2e;
3514         s3 = r3-r3e;
3515
3516         /* Energy (can be negative!) */
3517         vrt   = krt*s3*(s1+s2);
3518         vtot += vrt;
3519
3520         /* Forces */
3521         k1 = -krt*(s3/r1);
3522         k2 = -krt*(s3/r2);
3523         k3 = -krt*(s1+s2)/r3;
3524         for (m = 0; (m < DIM); m++)
3525         {
3526             f_i[m] = k1*r_ij[m] + k3*r_ik[m];
3527             f_k[m] = k2*r_kj[m] - k3*r_ik[m];
3528             f_j[m] = -f_i[m] - f_k[m];
3529         }
3530
3531         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3532         {
3533             f[ai][m] += f_i[m];
3534             f[aj][m] += f_j[m];
3535             f[ak][m] += f_k[m];
3536         }
3537
3538         /* Virial stuff */
3539         if (g)
3540         {
3541             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3542
3543             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3544             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3545             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3546             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3547         }
3548         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3549         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3550         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3551         /* 163 TOTAL    */
3552     }
3553     return vtot;
3554 }
3555
3556 static real bonded_tab(const char *type, int table_nr,
3557                        const bondedtable_t *table, real kA, real kB, real r,
3558                        real lambda, real *V, real *F)
3559 {
3560     real k, tabscale, *VFtab, rt, eps, eps2, Yt, Ft, Geps, Heps2, Fp, VV, FF;
3561     int  n0, nnn;
3562     real v, f, dvdlambda;
3563
3564     k = (1.0 - lambda)*kA + lambda*kB;
3565
3566     tabscale = table->scale;
3567     VFtab    = table->data;
3568
3569     rt    = r*tabscale;
3570     n0    = rt;
3571     if (n0 >= table->n)
3572     {
3573         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",
3574                   type, table_nr, r, n0, n0+1, table->n);
3575     }
3576     eps   = rt - n0;
3577     eps2  = eps*eps;
3578     nnn   = 4*n0;
3579     Yt    = VFtab[nnn];
3580     Ft    = VFtab[nnn+1];
3581     Geps  = VFtab[nnn+2]*eps;
3582     Heps2 = VFtab[nnn+3]*eps2;
3583     Fp    = Ft + Geps + Heps2;
3584     VV    = Yt + Fp*eps;
3585     FF    = Fp + Geps + 2.0*Heps2;
3586
3587     *F         = -k*FF*tabscale;
3588     *V         = k*VV;
3589     dvdlambda  = (kB - kA)*VV;
3590
3591     return dvdlambda;
3592
3593     /* That was 22 flops */
3594 }
3595
3596 real tab_bonds(int nbonds,
3597                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3598                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3599                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3600                real lambda, real *dvdlambda,
3601                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
3602                int gmx_unused  *global_atom_index)
3603 {
3604     int  i, m, ki, ai, aj, type, table;
3605     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3606     rvec dx;
3607     ivec dt;
3608
3609     vtot = 0.0;
3610     for (i = 0; (i < nbonds); )
3611     {
3612         type = forceatoms[i++];
3613         ai   = forceatoms[i++];
3614         aj   = forceatoms[i++];
3615
3616         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3617         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3618         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
3619
3620         table = forceparams[type].tab.table;
3621
3622         *dvdlambda += bonded_tab("bond", table,
3623                                  &fcd->bondtab[table],
3624                                  forceparams[type].tab.kA,
3625                                  forceparams[type].tab.kB,
3626                                  dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  22 */
3627
3628         if (dr2 == 0.0)
3629         {
3630             continue;
3631         }
3632
3633
3634         vtot  += vbond;            /* 1*/
3635         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
3636 #ifdef DEBUG
3637         if (debug)
3638         {
3639             fprintf(debug, "TABBONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3640                     dr, vbond, fbond);
3641         }
3642 #endif
3643         if (g)
3644         {
3645             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3646             ki = IVEC2IS(dt);
3647         }
3648         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3649         {
3650             fij                 = fbond*dx[m];
3651             f[ai][m]           += fij;
3652             f[aj][m]           -= fij;
3653             fshift[ki][m]      += fij;
3654             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3655         }
3656     }               /* 62 TOTAL */
3657     return vtot;
3658 }
3659
3660 real tab_angles(int nbonds,
3661                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3662                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3663                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3664                 real lambda, real *dvdlambda,
3665                 const t_mdatoms gmx_unused  *md, t_fcdata *fcd,
3666                 int gmx_unused *global_atom_index)
3667 {
3668     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type, table;
3669     rvec r_ij, r_kj;
3670     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
3671     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3672
3673     vtot = 0.0;
3674     for (i = 0; (i < nbonds); )
3675     {
3676         type = forceatoms[i++];
3677         ai   = forceatoms[i++];
3678         aj   = forceatoms[i++];
3679         ak   = forceatoms[i++];
3680
3681         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
3682                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
3683
3684         table = forceparams[type].tab.table;
3685
3686         *dvdlambda += bonded_tab("angle", table,
3687                                  &fcd->angletab[table],
3688                                  forceparams[type].tab.kA,
3689                                  forceparams[type].tab.kB,
3690                                  theta, lambda, &va, &dVdt); /*  22  */
3691         vtot += va;
3692
3693         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
3694         if (cos_theta2 < 1)
3695         {
3696             int  m;
3697             real snt, st, sth;
3698             real cik, cii, ckk;
3699             real nrkj2, nrij2;
3700             rvec f_i, f_j, f_k;
3701
3702             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
3703             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
3704 #ifdef DEBUG
3705             if (debug)
3706             {
3707                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
3708                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
3709             }
3710 #endif
3711             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
3712             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
3713
3714             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
3715             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
3716             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
3717
3718             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
3719             {
3720                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
3721                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
3722                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3723                 f[ai][m] += f_i[m];
3724                 f[aj][m] += f_j[m];
3725                 f[ak][m] += f_k[m];
3726             }
3727             if (g)
3728             {
3729                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3730
3731                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3732                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3733                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3734                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3735             }
3736             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3737             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3738             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
3739         }                                       /* 169 TOTAL    */
3740     }
3741     return vtot;
3742 }
3743
3744 real tab_dihs(int nbonds,
3745               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3746               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3747               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3748               real lambda, real *dvdlambda,
3749               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
3750               int gmx_unused *global_atom_index)
3751 {
3752     int  i, type, ai, aj, ak, al, table;
3753     int  t1, t2, t3;
3754     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
3755     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
3756
3757     vtot = 0.0;
3758     for (i = 0; (i < nbonds); )
3759     {
3760         type = forceatoms[i++];
3761         ai   = forceatoms[i++];
3762         aj   = forceatoms[i++];
3763         ak   = forceatoms[i++];
3764         al   = forceatoms[i++];
3765
3766         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3767                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84  */
3768
3769         table = forceparams[type].tab.table;
3770
3771         /* Hopefully phi+M_PI never results in values < 0 */
3772         *dvdlambda += bonded_tab("dihedral", table,
3773                                  &fcd->dihtab[table],
3774                                  forceparams[type].tab.kA,
3775                                  forceparams[type].tab.kB,
3776                                  phi+M_PI, lambda, &vpd, &ddphi);
3777
3778         vtot += vpd;
3779         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, -ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3780                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112    */
3781
3782 #ifdef DEBUG
3783         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
3784                 ai, aj, ak, al, phi);
3785 #endif
3786     } /* 227 TOTAL  */
3787
3788     return vtot;
3789 }
3790
3791 /* Return if this is a potential calculated in bondfree.c,
3792  * i.e. an interaction that actually calculates a potential and
3793  * works on multiple atoms (not e.g. a connection or a position restraint).
3794  */
3795 static gmx_inline gmx_bool ftype_is_bonded_potential(int ftype)
3796 {
3797     return
3798         (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
3799         !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES || ftype == F_FBPOSRES) &&
3800         (ftype < F_GB12 || ftype > F_GB14);
3801 }
3802
3803 static void divide_bondeds_over_threads(t_idef *idef, int nthreads)
3804 {
3805     int ftype;
3806     int nat1;
3807     int t;
3808     int il_nr_thread;
3809
3810     idef->nthreads = nthreads;
3811
3812     if (F_NRE*(nthreads+1) > idef->il_thread_division_nalloc)
3813     {
3814         idef->il_thread_division_nalloc = F_NRE*(nthreads+1);
3815         snew(idef->il_thread_division, idef->il_thread_division_nalloc);
3816     }
3817
3818     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
3819     {
3820         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
3821         {
3822             nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3823
3824             for (t = 0; t <= nthreads; t++)
3825             {
3826                 /* Divide the interactions equally over the threads.
3827                  * When the different types of bonded interactions
3828                  * are distributed roughly equally over the threads,
3829                  * this should lead to well localized output into
3830                  * the force buffer on each thread.
3831                  * If this is not the case, a more advanced scheme
3832                  * (not implemented yet) will do better.
3833                  */
3834                 il_nr_thread = (((idef->il[ftype].nr/nat1)*t)/nthreads)*nat1;
3835
3836                 /* Ensure that distance restraint pairs with the same label
3837                  * end up on the same thread.
3838                  * This is slighlty tricky code, since the next for iteration
3839                  * may have an initial il_nr_thread lower than the final value
3840                  * in the previous iteration, but this will anyhow be increased
3841                  * to the approriate value again by this while loop.
3842                  */
3843                 while (ftype == F_DISRES &&
3844                        il_nr_thread > 0 &&
3845                        il_nr_thread < idef->il[ftype].nr &&
3846                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread]].disres.label ==
3847                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread-nat1]].disres.label)
3848                 {
3849                     il_nr_thread += nat1;
3850                 }
3851
3852                 idef->il_thread_division[ftype*(nthreads+1)+t] = il_nr_thread;
3853             }
3854         }
3855     }
3856 }
3857
3858 static unsigned
3859 calc_bonded_reduction_mask(const t_idef *idef,
3860                            int shift,
3861                            int t, int nt)
3862 {
3863     unsigned mask;
3864     int      ftype, nb, nat1, nb0, nb1, i, a;
3865
3866     mask = 0;
3867
3868     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
3869     {
3870         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
3871         {
3872             nb = idef->il[ftype].nr;
3873             if (nb > 0)
3874             {
3875                 nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
3876
3877                 /* Divide this interaction equally over the threads.
3878                  * This is not stored: should match division in calc_bonds.
3879                  */
3880                 nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t];
3881                 nb1 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t+1];
3882
3883                 for (i = nb0; i < nb1; i += nat1)
3884                 {
3885                     for (a = 1; a < nat1; a++)
3886                     {
3887                         mask |= (1U << (idef->il[ftype].iatoms[i+a]>>shift));
3888                     }
3889                 }
3890             }
3891         }
3892     }
3893
3894     return mask;
3895 }
3896
3897 void setup_bonded_threading(t_forcerec   *fr, t_idef *idef)
3898 {
3899 #define MAX_BLOCK_BITS 32
3900     int t;
3901     int ctot, c, b;
3902
3903     assert(fr->nthreads >= 1);
3904
3905     /* Divide the bonded interaction over the threads */
3906     divide_bondeds_over_threads(idef, fr->nthreads);
3907
3908     if (fr->nthreads == 1)
3909     {
3910         fr->red_nblock = 0;
3911
3912         return;
3913     }
3914
3915     /* We divide the force array in a maximum of 32 blocks.
3916      * Minimum force block reduction size is 2^6=64.
3917      */
3918     fr->red_ashift = 6;
3919     while (fr->natoms_force > (int)(MAX_BLOCK_BITS*(1U<<fr->red_ashift)))
3920     {
3921         fr->red_ashift++;
3922     }
3923     if (debug)
3924     {
3925         fprintf(debug, "bonded force buffer block atom shift %d bits\n",
3926                 fr->red_ashift);
3927     }
3928
3929     /* Determine to which blocks each thread's bonded force calculation
3930      * contributes. Store this is a mask for each thread.
3931      */
3932 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
3933     for (t = 1; t < fr->nthreads; t++)
3934     {
3935         fr->f_t[t].red_mask =
3936             calc_bonded_reduction_mask(idef, fr->red_ashift, t, fr->nthreads);
3937     }
3938
3939     /* Determine the maximum number of blocks we need to reduce over */
3940     fr->red_nblock = 0;
3941     ctot           = 0;
3942     for (t = 0; t < fr->nthreads; t++)
3943     {
3944         c = 0;
3945         for (b = 0; b < MAX_BLOCK_BITS; b++)
3946         {
3947             if (fr->f_t[t].red_mask & (1U<<b))
3948             {
3949                 fr->red_nblock = max(fr->red_nblock, b+1);
3950                 c++;
3951             }
3952         }
3953         if (debug)
3954         {
3955             fprintf(debug, "thread %d flags %x count %d\n",
3956                     t, fr->f_t[t].red_mask, c);
3957         }
3958         ctot += c;
3959     }
3960     if (debug)
3961     {
3962         fprintf(debug, "Number of blocks to reduce: %d of size %d\n",
3963                 fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
3964         fprintf(debug, "Reduction density %.2f density/#thread %.2f\n",
3965                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)fr->natoms_force,
3966                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)(fr->natoms_force*fr->nthreads));
3967     }
3968 }
3969
3970 static void zero_thread_forces(f_thread_t *f_t, int n,
3971                                int nblock, int blocksize)
3972 {
3973     int b, a0, a1, a, i, j;
3974
3975     if (n > f_t->f_nalloc)
3976     {
3977         f_t->f_nalloc = over_alloc_large(n);
3978         srenew(f_t->f, f_t->f_nalloc);
3979     }
3980
3981     if (f_t->red_mask != 0)
3982     {
3983         for (b = 0; b < nblock; b++)
3984         {
3985             if (f_t->red_mask && (1U<<b))
3986             {
3987                 a0 = b*blocksize;
3988                 a1 = min((b+1)*blocksize, n);
3989                 for (a = a0; a < a1; a++)
3990                 {
3991                     clear_rvec(f_t->f[a]);
3992                 }
3993             }
3994         }
3995     }
3996     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
3997     {
3998         clear_rvec(f_t->fshift[i]);
3999     }
4000     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
4001     {
4002         f_t->ener[i] = 0;
4003     }
4004     for (i = 0; i < egNR; i++)
4005     {
4006         for (j = 0; j < f_t->grpp.nener; j++)
4007         {
4008             f_t->grpp.ener[i][j] = 0;
4009         }
4010     }
4011     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4012     {
4013         f_t->dvdl[i] = 0;
4014     }
4015 }
4016
4017 static void reduce_thread_force_buffer(int n, rvec *f,
4018                                        int nthreads, f_thread_t *f_t,
4019                                        int nblock, int block_size)
4020 {
4021     /* The max thread number is arbitrary,
4022      * we used a fixed number to avoid memory management.
4023      * Using more than 16 threads is probably never useful performance wise.
4024      */
4025 #define MAX_BONDED_THREADS 256
4026     int b;
4027
4028     if (nthreads > MAX_BONDED_THREADS)
4029     {
4030         gmx_fatal(FARGS, "Can not reduce bonded forces on more than %d threads",
4031                   MAX_BONDED_THREADS);
4032     }
4033
4034     /* This reduction can run on any number of threads,
4035      * independently of nthreads.
4036      */
4037 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
4038     for (b = 0; b < nblock; b++)
4039     {
4040         rvec *fp[MAX_BONDED_THREADS];
4041         int   nfb, ft, fb;
4042         int   a0, a1, a;
4043
4044         /* Determine which threads contribute to this block */
4045         nfb = 0;
4046         for (ft = 1; ft < nthreads; ft++)
4047         {
4048             if (f_t[ft].red_mask & (1U<<b))
4049             {
4050                 fp[nfb++] = f_t[ft].f;
4051             }
4052         }
4053         if (nfb > 0)
4054         {
4055             /* Reduce force buffers for threads that contribute */
4056             a0 =  b   *block_size;
4057             a1 = (b+1)*block_size;
4058             a1 = min(a1, n);
4059             for (a = a0; a < a1; a++)
4060             {
4061                 for (fb = 0; fb < nfb; fb++)
4062                 {
4063                     rvec_inc(f[a], fp[fb][a]);
4064                 }
4065             }
4066         }
4067     }
4068 }
4069
4070 static void reduce_thread_forces(int n, rvec *f, rvec *fshift,
4071                                  real *ener, gmx_grppairener_t *grpp, real *dvdl,
4072                                  int nthreads, f_thread_t *f_t,
4073                                  int nblock, int block_size,
4074                                  gmx_bool bCalcEnerVir,
4075                                  gmx_bool bDHDL)
4076 {
4077     if (nblock > 0)
4078     {
4079         /* Reduce the bonded force buffer */
4080         reduce_thread_force_buffer(n, f, nthreads, f_t, nblock, block_size);
4081     }
4082
4083     /* When necessary, reduce energy and virial using one thread only */
4084     if (bCalcEnerVir)
4085     {
4086         int t, i, j;
4087
4088         for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
4089         {
4090             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4091             {
4092                 rvec_inc(fshift[i], f_t[t].fshift[i]);
4093             }
4094         }
4095         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
4096         {
4097             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4098             {
4099                 ener[i] += f_t[t].ener[i];
4100             }
4101         }
4102         for (i = 0; i < egNR; i++)
4103         {
4104             for (j = 0; j < f_t[1].grpp.nener; j++)
4105             {
4106                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4107                 {
4108
4109                     grpp->ener[i][j] += f_t[t].grpp.ener[i][j];
4110                 }
4111             }
4112         }
4113         if (bDHDL)
4114         {
4115             for (i = 0; i < efptNR; i++)
4116             {
4117
4118                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4119                 {
4120                     dvdl[i] += f_t[t].dvdl[i];
4121                 }
4122             }
4123         }
4124     }
4125 }
4126
4127 static real calc_one_bond(FILE *fplog, int thread,
4128                           int ftype, const t_idef *idef,
4129                           rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4130                           t_forcerec *fr,
4131                           const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4132                           gmx_grppairener_t *grpp,
4133                           t_nrnb *nrnb,
4134                           real *lambda, real *dvdl,
4135                           const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
4136                           gmx_bool bCalcEnerVir,
4137                           int *global_atom_index, gmx_bool bPrintSepPot)
4138 {
4139     int      nat1, nbonds, efptFTYPE;
4140     real     v = 0;
4141     t_iatom *iatoms;
4142     int      nb0, nbn;
4143
4144     if (IS_RESTRAINT_TYPE(ftype))
4145     {
4146         efptFTYPE = efptRESTRAINT;
4147     }
4148     else
4149     {
4150         efptFTYPE = efptBONDED;
4151     }
4152
4153     nat1      = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
4154     nbonds    = idef->il[ftype].nr/nat1;
4155     iatoms    = idef->il[ftype].iatoms;
4156
4157     nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread];
4158     nbn = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread+1] - nb0;
4159
4160     if (!IS_LISTED_LJ_C(ftype))
4161     {
4162         if (ftype == F_CMAP)
4163         {
4164             v = cmap_dihs(nbn, iatoms+nb0,
4165                           idef->iparams, &idef->cmap_grid,
4166                           (const rvec*)x, f, fshift,
4167                           pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4168                           md, fcd, global_atom_index);
4169         }
4170 #ifdef SIMD_BONDEDS
4171         else if (ftype == F_ANGLES &&
4172                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4173         {
4174             /* No energies, shift forces, dvdl */
4175             angles_noener_simd(nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4176                                idef->iparams,
4177                                (const rvec*)x, f,
4178                                pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4179                                global_atom_index);
4180             v = 0;
4181         }
4182 #endif
4183         else if (ftype == F_PDIHS &&
4184                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4185         {
4186             /* No energies, shift forces, dvdl */
4187 #ifndef SIMD_BONDEDS
4188             pdihs_noener
4189 #else
4190             pdihs_noener_simd
4191 #endif
4192                 (nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4193                 idef->iparams,
4194                 (const rvec*)x, f,
4195                 pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4196                 global_atom_index);
4197             v = 0;
4198         }
4199         else
4200         {
4201             v = interaction_function[ftype].ifunc(nbn, iatoms+nb0,
4202                                                   idef->iparams,
4203                                                   (const rvec*)x, f, fshift,
4204                                                   pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4205                                                   md, fcd, global_atom_index);
4206         }
4207         if (bPrintSepPot)
4208         {
4209             fprintf(fplog, "  %-23s #%4d  V %12.5e  dVdl %12.5e\n",
4210                     interaction_function[ftype].longname,
4211                     nbonds, v, lambda[efptFTYPE]);
4212         }
4213     }
4214     else
4215     {
4216         v = do_nonbonded_listed(ftype, nbn, iatoms+nb0, idef->iparams, (const rvec*)x, f, fshift,
4217                                 pbc, g, lambda, dvdl, md, fr, grpp, global_atom_index);
4218
4219         if (bPrintSepPot)
4220         {
4221             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4222                     interaction_function[ftype].longname,
4223                     interaction_function[F_LJ14].longname, nbonds, dvdl[efptVDW]);
4224             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4225                     interaction_function[ftype].longname,
4226                     interaction_function[F_COUL14].longname, nbonds, dvdl[efptCOUL]);
4227         }
4228     }
4229
4230     if (thread == 0)
4231     {
4232         inc_nrnb(nrnb, interaction_function[ftype].nrnb_ind, nbonds);
4233     }
4234
4235     return v;
4236 }
4237
4238 void calc_bonds(FILE *fplog, const gmx_multisim_t *ms,
4239                 const t_idef *idef,
4240                 rvec x[], history_t *hist,
4241                 rvec f[], t_forcerec *fr,
4242                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4243                 gmx_enerdata_t *enerd, t_nrnb *nrnb,
4244                 real *lambda,
4245                 const t_mdatoms *md,
4246                 t_fcdata *fcd, int *global_atom_index,
4247                 t_atomtypes gmx_unused *atype, gmx_genborn_t gmx_unused *born,
4248                 int force_flags,
4249                 gmx_bool bPrintSepPot, gmx_int64_t step)
4250 {
4251     gmx_bool      bCalcEnerVir;
4252     int           i;
4253     real          v, dvdl[efptNR], dvdl_dum[efptNR]; /* The dummy array is to have a place to store the dhdl at other values
4254                                                         of lambda, which will be thrown away in the end*/
4255     const  t_pbc *pbc_null;
4256     char          buf[22];
4257     int           thread;
4258
4259     assert(fr->nthreads == idef->nthreads);
4260
4261     bCalcEnerVir = (force_flags & (GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY));
4262
4263     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4264     {
4265         dvdl[i] = 0.0;
4266     }
4267     if (fr->bMolPBC)
4268     {
4269         pbc_null = pbc;
4270     }
4271     else
4272     {
4273         pbc_null = NULL;
4274     }
4275     if (bPrintSepPot)
4276     {
4277         fprintf(fplog, "Step %s: bonded V and dVdl for this node\n",
4278                 gmx_step_str(step, buf));
4279     }
4280
4281 #ifdef DEBUG
4282     if (g && debug)
4283     {
4284         p_graph(debug, "Bondage is fun", g);
4285     }
4286 #endif
4287
4288     /* Do pre force calculation stuff which might require communication */
4289     if (idef->il[F_ORIRES].nr)
4290     {
4291         enerd->term[F_ORIRESDEV] =
4292             calc_orires_dev(ms, idef->il[F_ORIRES].nr,
4293                             idef->il[F_ORIRES].iatoms,
4294                             idef->iparams, md, (const rvec*)x,
4295                             pbc_null, fcd, hist);
4296     }
4297     if (idef->il[F_DISRES].nr)
4298     {
4299         calc_disres_R_6(idef->il[F_DISRES].nr,
4300                         idef->il[F_DISRES].iatoms,
4301                         idef->iparams, (const rvec*)x, pbc_null,
4302                         fcd, hist);
4303 #ifdef GMX_MPI
4304         if (fcd->disres.nsystems > 1)
4305         {
4306             gmx_sum_sim(2*fcd->disres.nres, fcd->disres.Rt_6, ms);
4307         }
4308 #endif
4309     }
4310
4311 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
4312     for (thread = 0; thread < fr->nthreads; thread++)
4313     {
4314         int                ftype;
4315         real              *epot, v;
4316         /* thread stuff */
4317         rvec              *ft, *fshift;
4318         real              *dvdlt;
4319         gmx_grppairener_t *grpp;
4320
4321         if (thread == 0)
4322         {
4323             ft     = f;
4324             fshift = fr->fshift;
4325             epot   = enerd->term;
4326             grpp   = &enerd->grpp;
4327             dvdlt  = dvdl;
4328         }
4329         else
4330         {
4331             zero_thread_forces(&fr->f_t[thread], fr->natoms_force,
4332                                fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
4333
4334             ft     = fr->f_t[thread].f;
4335             fshift = fr->f_t[thread].fshift;
4336             epot   = fr->f_t[thread].ener;
4337             grpp   = &fr->f_t[thread].grpp;
4338             dvdlt  = fr->f_t[thread].dvdl;
4339         }
4340         /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded forces */
4341         for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4342         {
4343             if (idef->il[ftype].nr > 0 && ftype_is_bonded_potential(ftype))
4344             {
4345                 v = calc_one_bond(fplog, thread, ftype, idef, x,
4346                                   ft, fshift, fr, pbc_null, g, grpp,
4347                                   nrnb, lambda, dvdlt,
4348                                   md, fcd, bCalcEnerVir,
4349                                   global_atom_index, bPrintSepPot);
4350                 epot[ftype] += v;
4351             }
4352         }
4353     }
4354     if (fr->nthreads > 1)
4355     {
4356         reduce_thread_forces(fr->natoms_force, f, fr->fshift,
4357                              enerd->term, &enerd->grpp, dvdl,
4358                              fr->nthreads, fr->f_t,
4359                              fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift,
4360                              bCalcEnerVir,
4361                              force_flags & GMX_FORCE_DHDL);
4362     }
4363     if (force_flags & GMX_FORCE_DHDL)
4364     {
4365         for (i = 0; i < efptNR; i++)
4366         {
4367             enerd->dvdl_nonlin[i] += dvdl[i];
4368         }
4369     }
4370
4371     /* Copy the sum of violations for the distance restraints from fcd */
4372     if (fcd)
4373     {
4374         enerd->term[F_DISRESVIOL] = fcd->disres.sumviol;
4375
4376     }
4377 }
4378
4379 void calc_bonds_lambda(FILE *fplog,
4380                        const t_idef *idef,
4381                        rvec x[],
4382                        t_forcerec *fr,
4383                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4384                        gmx_grppairener_t *grpp, real *epot, t_nrnb *nrnb,
4385                        real *lambda,
4386                        const t_mdatoms *md,
4387                        t_fcdata *fcd,
4388                        int *global_atom_index)
4389 {
4390     int           i, ftype, nr_nonperturbed, nr;
4391     real          v;
4392     real          dvdl_dum[efptNR];
4393     rvec         *f, *fshift;
4394     const  t_pbc *pbc_null;
4395     t_idef        idef_fe;
4396
4397     if (fr->bMolPBC)
4398     {
4399         pbc_null = pbc;
4400     }
4401     else
4402     {
4403         pbc_null = NULL;
4404     }
4405
4406     /* Copy the whole idef, so we can modify the contents locally */
4407     idef_fe          = *idef;
4408     idef_fe.nthreads = 1;
4409     snew(idef_fe.il_thread_division, F_NRE*(idef_fe.nthreads+1));
4410
4411     /* We already have the forces, so we use temp buffers here */
4412     snew(f, fr->natoms_force);
4413     snew(fshift, SHIFTS);
4414
4415     /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded energies */
4416     for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4417     {
4418         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
4419         {
4420             /* Set the work range of thread 0 to the perturbed bondeds only */
4421             nr_nonperturbed                       = idef->il[ftype].nr_nonperturbed;
4422             nr                                    = idef->il[ftype].nr;
4423             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+0] = nr_nonperturbed;
4424             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+1] = nr;
4425
4426             /* This is only to get the flop count correct */
4427             idef_fe.il[ftype].nr = nr - nr_nonperturbed;
4428
4429             if (nr - nr_nonperturbed > 0)
4430             {
4431                 v = calc_one_bond(fplog, 0, ftype, &idef_fe,
4432                                   x, f, fshift, fr, pbc_null, g,
4433                                   grpp, nrnb, lambda, dvdl_dum,
4434                                   md, fcd, TRUE,
4435                                   global_atom_index, FALSE);
4436                 epot[ftype] += v;
4437             }
4438         }
4439     }
4440
4441     sfree(fshift);
4442     sfree(f);
4443
4444     sfree(idef_fe.il_thread_division);
4445 }