src/gromacs/mdlib/clincs.cpp

   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) 2013,2014,2015,2016, 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 /* This file is completely threadsafe - keep it that way! */
  38 #include "gmxpre.h"
  39
  40 #include "config.h"
  41
  42 #include <assert.h>
  43 #include <stdlib.h>
  44
  45 #include <cmath>
  46
  47 #include <algorithm>
  48
  49 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  50 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  51 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
  52 #include "gromacs/math/functions.h"
  53 #include "gromacs/math/units.h"
  54 #include "gromacs/math/vec.h"
  55 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
  56 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  57 #include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
  58 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  59 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  60 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  61 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  62 #include "gromacs/pbcutil/pbc-simd.h"
  63 #include "gromacs/simd/simd.h"
  64 #include "gromacs/simd/simd_math.h"
  65 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  66 #include "gromacs/topology/block.h"
  67 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  68 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  69 #include "gromacs/utility/bitmask.h"
  70 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  71 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  72 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  73 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  74 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
  75 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  76
  77 using namespace gmx; // TODO: Remove when this file is moved into gmx namespace
  78
  79 typedef struct {
  80     int    b0;         /* first constraint for this task */
  81     int    b1;         /* b1-1 is the last constraint for this task */
  82     int    ntriangle;  /* the number of constraints in triangles */
  83     int   *triangle;   /* the list of triangle constraints */
  84     int   *tri_bits;   /* the bits tell if the matrix element should be used */
  85     int    tri_alloc;  /* allocation size of triangle and tri_bits */
  86     int    nind;       /* number of indices */
  87     int   *ind;        /* constraint index for updating atom data */
  88     int    nind_r;     /* number of indices */
  89     int   *ind_r;      /* constraint index for updating atom data */
  90     int    ind_nalloc; /* allocation size of ind and ind_r */
  91     tensor vir_r_m_dr; /* temporary variable for virial calculation */
  92     real   dhdlambda;  /* temporary variable for lambda derivative */
  93 } lincs_task_t;
  94
  95 typedef struct gmx_lincsdata {
  96     int             ncg;          /* the global number of constraints */
  97     int             ncg_flex;     /* the global number of flexible constraints */
  98     int             ncg_triangle; /* the global number of constraints in triangles */
  99     int             nIter;        /* the number of iterations */
 100     int             nOrder;       /* the order of the matrix expansion */
 101     int             max_connect;  /* the maximum number of constrains connected to a single atom */
 102
 103     int             nc_real;      /* the number of real constraints */
 104     int             nc;           /* the number of constraints including padding for SIMD */
 105     int             nc_alloc;     /* the number we allocated memory for */
 106     int             ncc;          /* the number of constraint connections */
 107     int             ncc_alloc;    /* the number we allocated memory for */
 108     real            matlam;       /* the FE lambda value used for filling blc and blmf */
 109     int            *con_index;    /* mapping from topology to LINCS constraints */
 110     real           *bllen0;       /* the reference distance in topology A */
 111     real           *ddist;        /* the reference distance in top B - the r.d. in top A */
 112     int            *bla;          /* the atom pairs involved in the constraints */
 113     real           *blc;          /* 1/sqrt(invmass1 + invmass2) */
 114     real           *blc1;         /* as blc, but with all masses 1 */
 115     int            *blnr;         /* index into blbnb and blmf */
 116     int            *blbnb;        /* list of constraint connections */
 117     int             ntriangle;    /* the local number of constraints in triangles */
 118     int             ncc_triangle; /* the number of constraint connections in triangles */
 119     gmx_bool        bCommIter;    /* communicate before each LINCS interation */
 120     real           *blmf;         /* matrix of mass factors for constraint connections */
 121     real           *blmf1;        /* as blmf, but with all masses 1 */
 122     real           *bllen;        /* the reference bond length */
 123     int            *nlocat;       /* the local atom count per constraint, can be NULL */
 124
 125     int             ntask;        /* The number of tasks = #threads for LINCS */
 126     lincs_task_t   *task;         /* LINCS thread division */
 127     gmx_bitmask_t  *atf;          /* atom flags for thread parallelization */
 128     int             atf_nalloc;   /* allocation size of atf */
 129     gmx_bool        bTaskDep;     /* are the LINCS tasks interdependent? */
 130     gmx_bool        bTaskDepTri;  /* are there triangle constraints that cross task borders? */
 131     /* arrays for temporary storage in the LINCS algorithm */
 132     rvec           *tmpv;
 133     real           *tmpncc;
 134     real           *tmp1;
 135     real           *tmp2;
 136     real           *tmp3;
 137     real           *tmp4;
 138     real           *mlambda; /* the Lagrange multipliers * -1 */
 139     /* storage for the constraint RMS relative deviation output */
 140     real            rmsd_data[3];
 141 } t_gmx_lincsdata;
 142
 143 /* Define simd_width for memory allocation used for SIMD code */
 144 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
 145 static const int simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 146 #else
 147 static const int simd_width = 1;
 148 #endif
 149
 150 /* Align to 128 bytes, consistent with the current implementation of
 151    AlignedAllocator, which currently forces 128 byte alignment. */
 152 static const int align_bytes = 128;
 153
 154 real *lincs_rmsd_data(struct gmx_lincsdata *lincsd)
 155 {
 156     return lincsd->rmsd_data;
 157 }
 158
 159 real lincs_rmsd(struct gmx_lincsdata *lincsd)
 160 {
 161     if (lincsd->rmsd_data[0] > 0)
 162     {
 163         return std::sqrt(lincsd->rmsd_data[1]/lincsd->rmsd_data[0]);
 164     }
 165     else
 166     {
 167         return 0;
 168     }
 169 }
 170
 171 /* Do a set of nrec LINCS matrix multiplications.
 172  * This function will return with up to date thread-local
 173  * constraint data, without an OpenMP barrier.
 174  */
 175 static void lincs_matrix_expand(const struct gmx_lincsdata *lincsd,
 176                                 const lincs_task_t *li_task,
 177                                 const real *blcc,
 178                                 real *rhs1, real *rhs2, real *sol)
 179 {
 180     int        b0, b1, nrec, rec;
 181     const int *blnr  = lincsd->blnr;
 182     const int *blbnb = lincsd->blbnb;
 183
 184     b0   = li_task->b0;
 185     b1   = li_task->b1;
 186     nrec = lincsd->nOrder;
 187
 188     for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 189     {
 190         int b;
 191
 192         if (lincsd->bTaskDep)
 193         {
 194 #pragma omp barrier
 195         }
 196         for (b = b0; b < b1; b++)
 197         {
 198             real mvb;
 199             int  n;
 200
 201             mvb = 0;
 202             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 203             {
 204                 mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[blbnb[n]];
 205             }
 206             rhs2[b] = mvb;
 207             sol[b]  = sol[b] + mvb;
 208         }
 209
 210         real *swap;
 211
 212         swap = rhs1;
 213         rhs1 = rhs2;
 214         rhs2 = swap;
 215     } /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 216
 217     if (lincsd->ntriangle > 0)
 218     {
 219         /* Perform an extra nrec recursions for only the constraints
 220          * involved in rigid triangles.
 221          * In this way their accuracy should come close to those of the other
 222          * constraints, since traingles of constraints can produce eigenvalues
 223          * around 0.7, while the effective eigenvalue for bond constraints
 224          * is around 0.4 (and 0.7*0.7=0.5).
 225          */
 226
 227         if (lincsd->bTaskDep)
 228         {
 229             /* We need a barrier here, since other threads might still be
 230              * reading the contents of rhs1 and/o rhs2.
 231              * We could avoid this barrier by introducing two extra rhs
 232              * arrays for the triangle constraints only.
 233              */
 234 #pragma omp barrier
 235         }
 236
 237         /* Constraints involved in a triangle are ensured to be in the same
 238          * LINCS task. This means no barriers are required during the extra
 239          * iterations for the triangle constraints.
 240          */
 241         const int *triangle = li_task->triangle;
 242         const int *tri_bits = li_task->tri_bits;
 243
 244         for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 245         {
 246             int tb;
 247
 248             for (tb = 0; tb < li_task->ntriangle; tb++)
 249             {
 250                 int  b, bits, nr0, nr1, n;
 251                 real mvb;
 252
 253                 b    = triangle[tb];
 254                 bits = tri_bits[tb];
 255                 mvb  = 0;
 256                 nr0  = blnr[b];
 257                 nr1  = blnr[b+1];
 258                 for (n = nr0; n < nr1; n++)
 259                 {
 260                     if (bits & (1 << (n - nr0)))
 261                     {
 262                         mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[blbnb[n]];
 263                     }
 264                 }
 265                 rhs2[b] = mvb;
 266                 sol[b]  = sol[b] + mvb;
 267             }
 268
 269             real *swap;
 270
 271             swap = rhs1;
 272             rhs1 = rhs2;
 273             rhs2 = swap;
 274         } /* nrec*(ntriangle + ncc_triangle*2) flops */
 275
 276         if (lincsd->bTaskDepTri)
 277         {
 278             /* The constraints triangles are decoupled from each other,
 279              * but constraints in one triangle cross thread task borders.
 280              * We could probably avoid this with more advanced setup code.
 281              */
 282 #pragma omp barrier
 283         }
 284     }
 285 }
 286
 287 static void lincs_update_atoms_noind(int ncons, const int *bla,
 288                                      real prefac,
 289                                      const real *fac, rvec *r,
 290                                      const real *invmass,
 291                                      rvec *x)
 292 {
 293     int  b, i, j;
 294     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 295
 296     if (invmass != NULL)
 297     {
 298         for (b = 0; b < ncons; b++)
 299         {
 300             i        = bla[2*b];
 301             j        = bla[2*b+1];
 302             mvb      = prefac*fac[b];
 303             im1      = invmass[i];
 304             im2      = invmass[j];
 305             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 306             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 307             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 308             x[i][0] -= tmp0*im1;
 309             x[i][1] -= tmp1*im1;
 310             x[i][2] -= tmp2*im1;
 311             x[j][0] += tmp0*im2;
 312             x[j][1] += tmp1*im2;
 313             x[j][2] += tmp2*im2;
 314         } /* 16 ncons flops */
 315     }
 316     else
 317     {
 318         for (b = 0; b < ncons; b++)
 319         {
 320             i        = bla[2*b];
 321             j        = bla[2*b+1];
 322             mvb      = prefac*fac[b];
 323             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 324             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 325             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 326             x[i][0] -= tmp0;
 327             x[i][1] -= tmp1;
 328             x[i][2] -= tmp2;
 329             x[j][0] += tmp0;
 330             x[j][1] += tmp1;
 331             x[j][2] += tmp2;
 332         }
 333     }
 334 }
 335
 336 static void lincs_update_atoms_ind(int ncons, const int *ind, const int *bla,
 337                                    real prefac,
 338                                    const real *fac, rvec *r,
 339                                    const real *invmass,
 340                                    rvec *x)
 341 {
 342     int  bi, b, i, j;
 343     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 344
 345     if (invmass != NULL)
 346     {
 347         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 348         {
 349             b        = ind[bi];
 350             i        = bla[2*b];
 351             j        = bla[2*b+1];
 352             mvb      = prefac*fac[b];
 353             im1      = invmass[i];
 354             im2      = invmass[j];
 355             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 356             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 357             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 358             x[i][0] -= tmp0*im1;
 359             x[i][1] -= tmp1*im1;
 360             x[i][2] -= tmp2*im1;
 361             x[j][0] += tmp0*im2;
 362             x[j][1] += tmp1*im2;
 363             x[j][2] += tmp2*im2;
 364         } /* 16 ncons flops */
 365     }
 366     else
 367     {
 368         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 369         {
 370             b        = ind[bi];
 371             i        = bla[2*b];
 372             j        = bla[2*b+1];
 373             mvb      = prefac*fac[b];
 374             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 375             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 376             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 377             x[i][0] -= tmp0;
 378             x[i][1] -= tmp1;
 379             x[i][2] -= tmp2;
 380             x[j][0] += tmp0;
 381             x[j][1] += tmp1;
 382             x[j][2] += tmp2;
 383         } /* 16 ncons flops */
 384     }
 385 }
 386
 387 static void lincs_update_atoms(struct gmx_lincsdata *li, int th,
 388                                real prefac,
 389                                const real *fac, rvec *r,
 390                                const real *invmass,
 391                                rvec *x)
 392 {
 393     if (li->ntask == 1)
 394     {
 395         /* Single thread, we simply update for all constraints */
 396         lincs_update_atoms_noind(li->nc_real,
 397                                  li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 398     }
 399     else
 400     {
 401         /* Update the atom vector components for our thread local
 402          * constraints that only access our local atom range.
 403          * This can be done without a barrier.
 404          */
 405         lincs_update_atoms_ind(li->task[th].nind, li->task[th].ind,
 406                                li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 407
 408         if (li->task[li->ntask].nind > 0)
 409         {
 410             /* Update the constraints that operate on atoms
 411              * in multiple thread atom blocks on the master thread.
 412              */
 413 #pragma omp barrier
 414 #pragma omp master
 415             {
 416                 lincs_update_atoms_ind(li->task[li->ntask].nind,
 417                                        li->task[li->ntask].ind,
 418                                        li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 419             }
 420         }
 421     }
 422 }
 423
 424 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
 425 /* Calculate the constraint distance vectors r to project on from x.
 426  * Determine the right-hand side of the matrix equation using quantity f.
 427  * This function only differs from calc_dr_x_xp_simd below in that
 428  * no constraint length is subtracted and no PBC is used for f.
 429  */
 430 static void gmx_simdcall
 431 calc_dr_x_f_simd(int                       b0,
 432                  int                       b1,
 433                  const int *               bla,
 434                  const rvec * gmx_restrict x,
 435                  const rvec * gmx_restrict f,
 436                  const real * gmx_restrict blc,
 437                  const real *              pbc_simd,
 438                  rvec * gmx_restrict       r,
 439                  real * gmx_restrict       rhs,
 440                  real * gmx_restrict       sol)
 441 {
 442     assert(b0 % GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 0);
 443
 444     GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH) offset2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 445
 446     for (int i = 0; i < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; i++)
 447     {
 448         offset2[i] = i;
 449     }
 450
 451     for (int bs = b0; bs < b1; bs += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 452     {
 453         SimdReal x0_S, y0_S, z0_S;
 454         SimdReal x1_S, y1_S, z1_S;
 455         SimdReal rx_S, ry_S, rz_S, n2_S, il_S;
 456         SimdReal fx_S, fy_S, fz_S, ip_S, rhs_S;
 457         GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)      offset0[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 458         GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)      offset1[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 459
 460         for (int i = 0; i < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; i++)
 461         {
 462             offset0[i] = bla[bs*2 + i*2];
 463             offset1[i] = bla[bs*2 + i*2 + 1];
 464         }
 465
 466         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(x), offset0, &x0_S, &y0_S, &z0_S);
 467         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(x), offset1, &x1_S, &y1_S, &z1_S);
 468         rx_S = x0_S - x1_S;
 469         ry_S = y0_S - y1_S;
 470         rz_S = z0_S - z1_S;
 471
 472         pbc_correct_dx_simd(&rx_S, &ry_S, &rz_S, pbc_simd);
 473
 474         n2_S  = norm2(rx_S, ry_S, rz_S);
 475         il_S  = invsqrt(n2_S);
 476
 477         rx_S  = rx_S * il_S;
 478         ry_S  = ry_S * il_S;
 479         rz_S  = rz_S * il_S;
 480
 481         transposeScatterStoreU<3>(reinterpret_cast<real *>(r + bs), offset2, rx_S, ry_S, rz_S);
 482
 483         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(f), offset0, &x0_S, &y0_S, &z0_S);
 484         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(f), offset1, &x1_S, &y1_S, &z1_S);
 485         fx_S = x0_S - x1_S;
 486         fy_S = y0_S - y1_S;
 487         fz_S = z0_S - z1_S;
 488
 489         ip_S  = iprod(rx_S, ry_S, rz_S, fx_S, fy_S, fz_S);
 490
 491         rhs_S = load(blc + bs) * ip_S;
 492
 493         store(rhs + bs, rhs_S);
 494         store(sol + bs, rhs_S);
 495     }
 496 }
 497 #endif // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 498
 499 /* LINCS projection, works on derivatives of the coordinates */
 500 static void do_lincsp(rvec *x, rvec *f, rvec *fp, t_pbc *pbc,
 501                       struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 502                       real *invmass,
 503                       int econq, gmx_bool bCalcDHDL,
 504                       gmx_bool bCalcVir, tensor rmdf)
 505 {
 506     int      b0, b1, b;
 507     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 508     rvec    *r;
 509     real    *blc, *blmf, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol;
 510
 511     b0 = lincsd->task[th].b0;
 512     b1 = lincsd->task[th].b1;
 513
 514     bla    = lincsd->bla;
 515     r      = lincsd->tmpv;
 516     blnr   = lincsd->blnr;
 517     blbnb  = lincsd->blbnb;
 518     if (econq != econqForce)
 519     {
 520         /* Use mass-weighted parameters */
 521         blc  = lincsd->blc;
 522         blmf = lincsd->blmf;
 523     }
 524     else
 525     {
 526         /* Use non mass-weighted parameters */
 527         blc  = lincsd->blc1;
 528         blmf = lincsd->blmf1;
 529     }
 530     blcc   = lincsd->tmpncc;
 531     rhs1   = lincsd->tmp1;
 532     rhs2   = lincsd->tmp2;
 533     sol    = lincsd->tmp3;
 534
 535 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
 536     /* This SIMD code does the same as the plain-C code after the #else.
 537      * The only difference is that we always call pbc code, as with SIMD
 538      * the overhead of pbc computation (when not needed) is small.
 539      */
 540     GMX_ALIGNED(real, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)    pbc_simd[9*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 541
 542     /* Convert the pbc struct for SIMD */
 543     set_pbc_simd(pbc, pbc_simd);
 544
 545     /* Compute normalized x i-j vectors, store in r.
 546      * Compute the inner product of r and xp i-j and store in rhs1.
 547      */
 548     calc_dr_x_f_simd(b0, b1, bla, x, f, blc,
 549                      pbc_simd,
 550                      r, rhs1, sol);
 551
 552 #else // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 553
 554     /* Compute normalized i-j vectors */
 555     if (pbc)
 556     {
 557         for (b = b0; b < b1; b++)
 558         {
 559             rvec dx;
 560
 561             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 562             unitv(dx, r[b]);
 563         }
 564     }
 565     else
 566     {
 567         for (b = b0; b < b1; b++)
 568         {
 569             rvec dx;
 570
 571             rvec_sub(x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 572             unitv(dx, r[b]);
 573         } /* 16 ncons flops */
 574     }
 575
 576     for (b = b0; b < b1; b++)
 577     {
 578         int  i, j;
 579         real mvb;
 580
 581         i       = bla[2*b];
 582         j       = bla[2*b+1];
 583         mvb     = blc[b]*(r[b][0]*(f[i][0] - f[j][0]) +
 584                           r[b][1]*(f[i][1] - f[j][1]) +
 585                           r[b][2]*(f[i][2] - f[j][2]));
 586         rhs1[b] = mvb;
 587         sol[b]  = mvb;
 588         /* 7 flops */
 589     }
 590
 591 #endif // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 592
 593     if (lincsd->bTaskDep)
 594     {
 595         /* We need a barrier, since the matrix construction below
 596          * can access entries in r of other threads.
 597          */
 598 #pragma omp barrier
 599     }
 600
 601     /* Construct the (sparse) LINCS matrix */
 602     for (b = b0; b < b1; b++)
 603     {
 604         int n;
 605
 606         for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 607         {
 608             blcc[n] = blmf[n]*iprod(r[b], r[blbnb[n]]);
 609         } /* 6 nr flops */
 610     }
 611     /* Together: 23*ncons + 6*nrtot flops */
 612
 613     lincs_matrix_expand(lincsd, &lincsd->task[th], blcc, rhs1, rhs2, sol);
 614     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 615
 616     if (econq == econqDeriv_FlexCon)
 617     {
 618         /* We only want to constraint the flexible constraints,
 619          * so we mask out the normal ones by setting sol to 0.
 620          */
 621         for (b = b0; b < b1; b++)
 622         {
 623             if (!(lincsd->bllen0[b] == 0 && lincsd->ddist[b] == 0))
 624             {
 625                 sol[b] = 0;
 626             }
 627         }
 628     }
 629
 630     /* We multiply sol by blc, so we can use lincs_update_atoms for OpenMP */
 631     for (b = b0; b < b1; b++)
 632     {
 633         sol[b] *= blc[b];
 634     }
 635
 636     /* When constraining forces, we should not use mass weighting,
 637      * so we pass invmass=NULL, which results in the use of 1 for all atoms.
 638      */
 639     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, sol, r,
 640                        (econq != econqForce) ? invmass : NULL, fp);
 641
 642     if (bCalcDHDL)
 643     {
 644         real dhdlambda;
 645
 646         dhdlambda = 0;
 647         for (b = b0; b < b1; b++)
 648         {
 649             dhdlambda -= sol[b]*lincsd->ddist[b];
 650         }
 651
 652         lincsd->task[th].dhdlambda = dhdlambda;
 653     }
 654
 655     if (bCalcVir)
 656     {
 657         /* Constraint virial,
 658          * determines sum r_bond x delta f,
 659          * where delta f is the constraint correction
 660          * of the quantity that is being constrained.
 661          */
 662         for (b = b0; b < b1; b++)
 663         {
 664             real mvb, tmp1;
 665             int  i, j;
 666
 667             mvb = lincsd->bllen[b]*sol[b];
 668             for (i = 0; i < DIM; i++)
 669             {
 670                 tmp1 = mvb*r[b][i];
 671                 for (j = 0; j < DIM; j++)
 672                 {
 673                     rmdf[i][j] += tmp1*r[b][j];
 674                 }
 675             }
 676         } /* 23 ncons flops */
 677     }
 678 }
 679
 680 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
 681 /* Calculate the constraint distance vectors r to project on from x.
 682  * Determine the right-hand side of the matrix equation using coordinates xp.
 683  */
 684 static void gmx_simdcall
 685 calc_dr_x_xp_simd(int                       b0,
 686                   int                       b1,
 687                   const int *               bla,
 688                   const rvec * gmx_restrict x,
 689                   const rvec * gmx_restrict xp,
 690                   const real * gmx_restrict bllen,
 691                   const real * gmx_restrict blc,
 692                   const real *              pbc_simd,
 693                   rvec * gmx_restrict       r,
 694                   real * gmx_restrict       rhs,
 695                   real * gmx_restrict       sol)
 696 {
 697     assert(b0 % GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 0);
 698     GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH) offset2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 699
 700     for (int i = 0; i < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; i++)
 701     {
 702         offset2[i] = i;
 703     }
 704
 705     for (int bs = b0; bs < b1; bs += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 706     {
 707         SimdReal x0_S, y0_S, z0_S;
 708         SimdReal x1_S, y1_S, z1_S;
 709         SimdReal rx_S, ry_S, rz_S, n2_S, il_S;
 710         SimdReal rxp_S, ryp_S, rzp_S, ip_S, rhs_S;
 711         GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)      offset0[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 712         GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)      offset1[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 713
 714         for (int i = 0; i < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; i++)
 715         {
 716             offset0[i] = bla[bs*2 + i*2];
 717             offset1[i] = bla[bs*2 + i*2 + 1];
 718         }
 719
 720         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(x), offset0, &x0_S, &y0_S, &z0_S);
 721         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(x), offset1, &x1_S, &y1_S, &z1_S);
 722         rx_S = x0_S - x1_S;
 723         ry_S = y0_S - y1_S;
 724         rz_S = z0_S - z1_S;
 725
 726         pbc_correct_dx_simd(&rx_S, &ry_S, &rz_S, pbc_simd);
 727
 728         n2_S  = norm2(rx_S, ry_S, rz_S);
 729         il_S  = invsqrt(n2_S);
 730
 731         rx_S  = rx_S * il_S;
 732         ry_S  = ry_S * il_S;
 733         rz_S  = rz_S * il_S;
 734
 735         transposeScatterStoreU<3>(reinterpret_cast<real *>(r + bs), offset2, rx_S, ry_S, rz_S);
 736
 737         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(xp), offset0, &x0_S, &y0_S, &z0_S);
 738         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(xp), offset1, &x1_S, &y1_S, &z1_S);
 739         rxp_S = x0_S - x1_S;
 740         ryp_S = y0_S - y1_S;
 741         rzp_S = z0_S - z1_S;
 742
 743         pbc_correct_dx_simd(&rxp_S, &ryp_S, &rzp_S, pbc_simd);
 744
 745         ip_S  = iprod(rx_S, ry_S, rz_S, rxp_S, ryp_S, rzp_S);
 746
 747         rhs_S = load(blc + bs) * (ip_S - load(bllen + bs));
 748
 749         store(rhs + bs, rhs_S);
 750         store(sol + bs, rhs_S);
 751     }
 752 }
 753 #endif // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 754
 755 /* Determine the distances and right-hand side for the next iteration */
 756 static void calc_dist_iter(int                       b0,
 757                            int                       b1,
 758                            const int *               bla,
 759                            const rvec * gmx_restrict xp,
 760                            const real * gmx_restrict bllen,
 761                            const real * gmx_restrict blc,
 762                            const t_pbc *             pbc,
 763                            real                      wfac,
 764                            real * gmx_restrict       rhs,
 765                            real * gmx_restrict       sol,
 766                            gmx_bool *                bWarn)
 767 {
 768     int b;
 769
 770     for (b = b0; b < b1; b++)
 771     {
 772         real len, len2, dlen2, mvb;
 773         rvec dx;
 774
 775         len = bllen[b];
 776         if (pbc)
 777         {
 778             pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 779         }
 780         else
 781         {
 782             rvec_sub(xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 783         }
 784         len2  = len*len;
 785         dlen2 = 2*len2 - norm2(dx);
 786         if (dlen2 < wfac*len2)
 787         {
 788             /* not race free - see detailed comment in caller */
 789             *bWarn = TRUE;
 790         }
 791         if (dlen2 > 0)
 792         {
 793             mvb = blc[b]*(len - dlen2*gmx::invsqrt(dlen2));
 794         }
 795         else
 796         {
 797             mvb = blc[b]*len;
 798         }
 799         rhs[b]  = mvb;
 800         sol[b]  = mvb;
 801     } /* 20*ncons flops */
 802 }
 803
 804 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
 805 /* As the function above, but using SIMD intrinsics */
 806 static void gmx_simdcall
 807 calc_dist_iter_simd(int                       b0,
 808                     int                       b1,
 809                     const int *               bla,
 810                     const rvec * gmx_restrict x,
 811                     const real * gmx_restrict bllen,
 812                     const real * gmx_restrict blc,
 813                     const real *              pbc_simd,
 814                     real                      wfac,
 815                     real * gmx_restrict       rhs,
 816                     real * gmx_restrict       sol,
 817                     gmx_bool *                bWarn)
 818 {
 819     SimdReal        min_S(GMX_REAL_MIN);
 820     SimdReal        two_S(2.0);
 821     SimdReal        wfac_S(wfac);
 822     SimdBool        warn_S;
 823
 824     int             bs;
 825
 826     assert(b0 % GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 0);
 827
 828     /* Initialize all to FALSE */
 829     warn_S = (two_S < setZero());
 830
 831     for (bs = b0; bs < b1; bs += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 832     {
 833         SimdReal x0_S, y0_S, z0_S;
 834         SimdReal x1_S, y1_S, z1_S;
 835         SimdReal rx_S, ry_S, rz_S, n2_S;
 836         SimdReal len_S, len2_S, dlen2_S, lc_S, blc_S;
 837         GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)      offset0[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 838         GMX_ALIGNED(int, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)      offset1[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 839
 840         for (int i = 0; i < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; i++)
 841         {
 842             offset0[i] = bla[bs*2 + i*2];
 843             offset1[i] = bla[bs*2 + i*2 + 1];
 844         }
 845
 846         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(x), offset0, &x0_S, &y0_S, &z0_S);
 847         gatherLoadUTranspose<3>(reinterpret_cast<const real *>(x), offset1, &x1_S, &y1_S, &z1_S);
 848         rx_S = x0_S - x1_S;
 849         ry_S = y0_S - y1_S;
 850         rz_S = z0_S - z1_S;
 851
 852         pbc_correct_dx_simd(&rx_S, &ry_S, &rz_S, pbc_simd);
 853
 854         n2_S    = norm2(rx_S, ry_S, rz_S);
 855
 856         len_S   = load(bllen + bs);
 857         len2_S  = len_S * len_S;
 858
 859         dlen2_S = fms(two_S, len2_S, n2_S);
 860
 861         warn_S  = warn_S || (dlen2_S < (wfac_S * len2_S));
 862
 863         /* Avoid 1/0 by taking the max with REAL_MIN.
 864          * Note: when dlen2 is close to zero (90 degree constraint rotation),
 865          * the accuracy of the algorithm is no longer relevant.
 866          */
 867         dlen2_S = max(dlen2_S, min_S);
 868
 869         lc_S    = fnma(dlen2_S, invsqrt(dlen2_S), len_S);
 870
 871         blc_S   = load(blc + bs);
 872
 873         lc_S    = blc_S * lc_S;
 874
 875         store(rhs + bs, lc_S);
 876         store(sol + bs, lc_S);
 877     }
 878
 879     if (anyTrue(warn_S))
 880     {
 881         *bWarn = TRUE;
 882     }
 883 }
 884 #endif // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 885
 886 static void do_lincs(rvec *x, rvec *xp, matrix box, t_pbc *pbc,
 887                      struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 888                      const real *invmass,
 889                      t_commrec *cr,
 890                      gmx_bool bCalcDHDL,
 891                      real wangle, gmx_bool *bWarn,
 892                      real invdt, rvec * gmx_restrict v,
 893                      gmx_bool bCalcVir, tensor vir_r_m_dr)
 894 {
 895     int      b0, b1, b, i, j, n, iter;
 896     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 897     rvec    *r;
 898     real    *blc, *blmf, *bllen, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol, *blc_sol, *mlambda;
 899     int     *nlocat;
 900
 901     b0 = lincsd->task[th].b0;
 902     b1 = lincsd->task[th].b1;
 903
 904     bla     = lincsd->bla;
 905     r       = lincsd->tmpv;
 906     blnr    = lincsd->blnr;
 907     blbnb   = lincsd->blbnb;
 908     blc     = lincsd->blc;
 909     blmf    = lincsd->blmf;
 910     bllen   = lincsd->bllen;
 911     blcc    = lincsd->tmpncc;
 912     rhs1    = lincsd->tmp1;
 913     rhs2    = lincsd->tmp2;
 914     sol     = lincsd->tmp3;
 915     blc_sol = lincsd->tmp4;
 916     mlambda = lincsd->mlambda;
 917     nlocat  = lincsd->nlocat;
 918
 919 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
 920
 921     /* This SIMD code does the same as the plain-C code after the #else.
 922      * The only difference is that we always call pbc code, as with SIMD
 923      * the overhead of pbc computation (when not needed) is small.
 924      */
 925     GMX_ALIGNED(real, GMX_SIMD_REAL_WIDTH)    pbc_simd[9*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
 926
 927     /* Convert the pbc struct for SIMD */
 928     set_pbc_simd(pbc, pbc_simd);
 929
 930     /* Compute normalized x i-j vectors, store in r.
 931      * Compute the inner product of r and xp i-j and store in rhs1.
 932      */
 933     calc_dr_x_xp_simd(b0, b1, bla, x, xp, bllen, blc,
 934                       pbc_simd,
 935                       r, rhs1, sol);
 936
 937 #else // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 938
 939     if (pbc)
 940     {
 941         /* Compute normalized i-j vectors */
 942         for (b = b0; b < b1; b++)
 943         {
 944             rvec dx;
 945             real mvb;
 946
 947             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 948             unitv(dx, r[b]);
 949
 950             pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 951             mvb     = blc[b]*(iprod(r[b], dx) - bllen[b]);
 952             rhs1[b] = mvb;
 953             sol[b]  = mvb;
 954         }
 955     }
 956     else
 957     {
 958         /* Compute normalized i-j vectors */
 959         for (b = b0; b < b1; b++)
 960         {
 961             real tmp0, tmp1, tmp2, rlen, mvb;
 962
 963             i       = bla[2*b];
 964             j       = bla[2*b+1];
 965             tmp0    = x[i][0] - x[j][0];
 966             tmp1    = x[i][1] - x[j][1];
 967             tmp2    = x[i][2] - x[j][2];
 968             rlen    = gmx::invsqrt(tmp0*tmp0 + tmp1*tmp1 + tmp2*tmp2);
 969             r[b][0] = rlen*tmp0;
 970             r[b][1] = rlen*tmp1;
 971             r[b][2] = rlen*tmp2;
 972             /* 16 ncons flops */
 973
 974             i       = bla[2*b];
 975             j       = bla[2*b+1];
 976             mvb     = blc[b]*(r[b][0]*(xp[i][0] - xp[j][0]) +
 977                               r[b][1]*(xp[i][1] - xp[j][1]) +
 978                               r[b][2]*(xp[i][2] - xp[j][2]) - bllen[b]);
 979             rhs1[b] = mvb;
 980             sol[b]  = mvb;
 981             /* 10 flops */
 982         }
 983         /* Together: 26*ncons + 6*nrtot flops */
 984     }
 985
 986 #endif // GMX_SIMD_HAVE_REAL
 987
 988     if (lincsd->bTaskDep)
 989     {
 990         /* We need a barrier, since the matrix construction below
 991          * can access entries in r of other threads.
 992          */
 993 #pragma omp barrier
 994     }
 995
 996     /* Construct the (sparse) LINCS matrix */
 997     for (b = b0; b < b1; b++)
 998     {
 999         for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
1000         {
1001             blcc[n] = blmf[n]*iprod(r[b], r[blbnb[n]]);
1002         }
1003     }
1004     /* Together: 26*ncons + 6*nrtot flops */
1005
1006     lincs_matrix_expand(lincsd, &lincsd->task[th], blcc, rhs1, rhs2, sol);
1007     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
1008
1009 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
1010     for (b = b0; b < b1; b += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1011     {
1012         SimdReal t1 = load(blc + b);
1013         SimdReal t2 = load(sol + b);
1014         store(mlambda + b, t1 * t2);
1015     }
1016 #else
1017     for (b = b0; b < b1; b++)
1018     {
1019         mlambda[b] = blc[b]*sol[b];
1020     }
1021 #endif // GMX_SIMD_HAVE_REAL
1022
1023     /* Update the coordinates */
1024     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, mlambda, r, invmass, xp);
1025
1026     /*
1027      ********  Correction for centripetal effects  ********
1028      */
1029
1030     real wfac;
1031
1032     wfac = std::cos(DEG2RAD*wangle);
1033     wfac = wfac*wfac;
1034
1035     for (iter = 0; iter < lincsd->nIter; iter++)
1036     {
1037         if ((lincsd->bCommIter && DOMAINDECOMP(cr) && cr->dd->constraints))
1038         {
1039 #pragma omp barrier
1040 #pragma omp master
1041             {
1042                 /* Communicate the corrected non-local coordinates */
1043                 if (DOMAINDECOMP(cr))
1044                 {
1045                     dd_move_x_constraints(cr->dd, box, xp, NULL, FALSE);
1046                 }
1047             }
1048 #pragma omp barrier
1049         }
1050         else if (lincsd->bTaskDep)
1051         {
1052 #pragma omp barrier
1053         }
1054
1055 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
1056         calc_dist_iter_simd(b0, b1, bla, xp, bllen, blc, pbc_simd, wfac,
1057                             rhs1, sol, bWarn);
1058 #else
1059         calc_dist_iter(b0, b1, bla, xp, bllen, blc, pbc, wfac,
1060                        rhs1, sol, bWarn);
1061         /* 20*ncons flops */
1062 #endif  // GMX_SIMD_HAVE_REAL
1063
1064         lincs_matrix_expand(lincsd, &lincsd->task[th], blcc, rhs1, rhs2, sol);
1065         /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
1066
1067 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
1068         for (b = b0; b < b1; b += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1069         {
1070             SimdReal t1  = load(blc + b);
1071             SimdReal t2  = load(sol + b);
1072             SimdReal mvb = t1 * t2;
1073             store(blc_sol + b, mvb);
1074             store(mlambda + b, load(mlambda + b) + mvb);
1075         }
1076 #else
1077         for (b = b0; b < b1; b++)
1078         {
1079             real mvb;
1080
1081             mvb         = blc[b]*sol[b];
1082             blc_sol[b]  = mvb;
1083             mlambda[b] += mvb;
1084         }
1085 #endif  // GMX_SIMD_HAVE_REAL
1086
1087         /* Update the coordinates */
1088         lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, blc_sol, r, invmass, xp);
1089     }
1090     /* nit*ncons*(37+9*nrec) flops */
1091
1092     if (v != NULL)
1093     {
1094         /* Update the velocities */
1095         lincs_update_atoms(lincsd, th, invdt, mlambda, r, invmass, v);
1096         /* 16 ncons flops */
1097     }
1098
1099     if (nlocat != NULL && (bCalcDHDL || bCalcVir))
1100     {
1101         if (lincsd->bTaskDep)
1102         {
1103             /* In lincs_update_atoms threads might cross-read mlambda */
1104 #pragma omp barrier
1105         }
1106
1107         /* Only account for local atoms */
1108         for (b = b0; b < b1; b++)
1109         {
1110             mlambda[b] *= 0.5*nlocat[b];
1111         }
1112     }
1113
1114     if (bCalcDHDL)
1115     {
1116         real dhdl;
1117
1118         dhdl = 0;
1119         for (b = b0; b < b1; b++)
1120         {
1121             /* Note that this this is dhdl*dt^2, the dt^2 factor is corrected
1122              * later after the contributions are reduced over the threads.
1123              */
1124             dhdl -= lincsd->mlambda[b]*lincsd->ddist[b];
1125         }
1126         lincsd->task[th].dhdlambda = dhdl;
1127     }
1128
1129     if (bCalcVir)
1130     {
1131         /* Constraint virial */
1132         for (b = b0; b < b1; b++)
1133         {
1134             real tmp0, tmp1;
1135
1136             tmp0 = -bllen[b]*mlambda[b];
1137             for (i = 0; i < DIM; i++)
1138             {
1139                 tmp1 = tmp0*r[b][i];
1140                 for (j = 0; j < DIM; j++)
1141                 {
1142                     vir_r_m_dr[i][j] -= tmp1*r[b][j];
1143                 }
1144             }
1145         } /* 22 ncons flops */
1146     }
1147
1148     /* Total:
1149      * 26*ncons + 6*nrtot + nrec*(ncons+2*nrtot)
1150      * + nit * (20*ncons + nrec*(ncons+2*nrtot) + 17 ncons)
1151      *
1152      * (26+nrec)*ncons + (6+2*nrec)*nrtot
1153      * + nit * ((37+nrec)*ncons + 2*nrec*nrtot)
1154      * if nit=1
1155      * (63+nrec)*ncons + (6+4*nrec)*nrtot
1156      */
1157 }
1158
1159 /* Sets the elements in the LINCS matrix for task li_task */
1160 static void set_lincs_matrix_task(struct gmx_lincsdata *li,
1161                                   lincs_task_t         *li_task,
1162                                   const real           *invmass,
1163                                   int                  *ncc_triangle,
1164                                   int                  *nCrossTaskTriangles)
1165 {
1166     int        i;
1167
1168     /* Construct the coupling coefficient matrix blmf */
1169     li_task->ntriangle   = 0;
1170     *ncc_triangle        = 0;
1171     *nCrossTaskTriangles = 0;
1172     for (i = li_task->b0; i < li_task->b1; i++)
1173     {
1174         int a1, a2, n;
1175
1176         a1 = li->bla[2*i];
1177         a2 = li->bla[2*i+1];
1178         for (n = li->blnr[i]; (n < li->blnr[i+1]); n++)
1179         {
1180             int k, sign, center, end;
1181
1182             k = li->blbnb[n];
1183
1184             /* If we are using multiple, independent tasks for LINCS,
1185              * the calls to check_assign_connected should have
1186              * put all connected constraints in our task.
1187              */
1188             assert(li->bTaskDep || (k >= li_task->b0 && k < li_task->b1));
1189
1190             if (a1 == li->bla[2*k] || a2 == li->bla[2*k+1])
1191             {
1192                 sign = -1;
1193             }
1194             else
1195             {
1196                 sign = 1;
1197             }
1198             if (a1 == li->bla[2*k] || a1 == li->bla[2*k+1])
1199             {
1200                 center = a1;
1201                 end    = a2;
1202             }
1203             else
1204             {
1205                 center = a2;
1206                 end    = a1;
1207             }
1208             li->blmf[n]  = sign*invmass[center]*li->blc[i]*li->blc[k];
1209             li->blmf1[n] = sign*0.5;
1210             if (li->ncg_triangle > 0)
1211             {
1212                 int nk, kk;
1213
1214                 /* Look for constraint triangles */
1215                 for (nk = li->blnr[k]; (nk < li->blnr[k+1]); nk++)
1216                 {
1217                     kk = li->blbnb[nk];
1218                     if (kk != i && kk != k &&
1219                         (li->bla[2*kk] == end || li->bla[2*kk+1] == end))
1220                     {
1221                         /* Check if the constraints in this triangle actually
1222                          * belong to a different task. We still assign them
1223                          * here, since it's convenient for the triangle
1224                          * iterations, but we then need an extra barrier.
1225                          */
1226                         if (k  < li_task->b0 || k  >= li_task->b1 ||
1227                             kk < li_task->b0 || kk >= li_task->b1)
1228                         {
1229                             (*nCrossTaskTriangles)++;
1230                         }
1231
1232                         if (li_task->ntriangle == 0 ||
1233                             li_task->triangle[li_task->ntriangle - 1] < i)
1234                         {
1235                             /* Add this constraint to the triangle list */
1236                             li_task->triangle[li_task->ntriangle] = i;
1237                             li_task->tri_bits[li_task->ntriangle] = 0;
1238                             li_task->ntriangle++;
1239                             if (li->blnr[i+1] - li->blnr[i] > static_cast<int>(sizeof(li_task->tri_bits[0])*8 - 1))
1240                             {
1241                                 gmx_fatal(FARGS, "A constraint is connected to %d constraints, this is more than the %d allowed for constraints participating in triangles",
1242                                           li->blnr[i+1] - li->blnr[i],
1243                                           sizeof(li_task->tri_bits[0])*8-1);
1244                             }
1245                         }
1246                         li_task->tri_bits[li_task->ntriangle-1] |= (1 << (n - li->blnr[i]));
1247                         (*ncc_triangle)++;
1248                     }
1249                 }
1250             }
1251         }
1252     }
1253 }
1254
1255 /* Sets the elements in the LINCS matrix */
1256 void set_lincs_matrix(struct gmx_lincsdata *li, real *invmass, real lambda)
1257 {
1258     int        i;
1259     const real invsqrt2 = 0.7071067811865475244;
1260
1261     for (i = 0; (i < li->nc); i++)
1262     {
1263         int a1, a2;
1264
1265         a1          = li->bla[2*i];
1266         a2          = li->bla[2*i+1];
1267         li->blc[i]  = gmx::invsqrt(invmass[a1] + invmass[a2]);
1268         li->blc1[i] = invsqrt2;
1269     }
1270
1271     /* Construct the coupling coefficient matrix blmf */
1272     int th, ntriangle = 0, ncc_triangle = 0, nCrossTaskTriangles = 0;
1273 #pragma omp parallel for reduction(+: ntriangle, ncc_triangle, nCrossTaskTriangles) num_threads(li->ntask) schedule(static)
1274     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1275     {
1276         try
1277         {
1278             set_lincs_matrix_task(li, &li->task[th], invmass,
1279                                   &ncc_triangle, &nCrossTaskTriangles);
1280             ntriangle = li->task[th].ntriangle;
1281         }
1282         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1283     }
1284     li->ntriangle    = ntriangle;
1285     li->ncc_triangle = ncc_triangle;
1286     li->bTaskDepTri  = (nCrossTaskTriangles > 0);
1287
1288     if (debug)
1289     {
1290         fprintf(debug, "The %d constraints participate in %d triangles\n",
1291                 li->nc, li->ntriangle);
1292         fprintf(debug, "There are %d constraint couplings, of which %d in triangles\n",
1293                 li->ncc, li->ncc_triangle);
1294         if (li->ntriangle > 0 && li->ntask > 1)
1295         {
1296             fprintf(debug, "%d constraint triangles contain constraints assigned to different tasks\n",
1297                     nCrossTaskTriangles);
1298         }
1299     }
1300
1301     /* Set matlam,
1302      * so we know with which lambda value the masses have been set.
1303      */
1304     li->matlam = lambda;
1305 }
1306
1307 static int count_triangle_constraints(const t_ilist  *ilist,
1308                                       const t_blocka *at2con)
1309 {
1310     int      ncon1, ncon_tot;
1311     int      c0, a00, a01, n1, c1, a10, a11, ac1, n2, c2, a20, a21;
1312     int      ncon_triangle;
1313     gmx_bool bTriangle;
1314     t_iatom *ia1, *ia2, *iap;
1315
1316     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
1317     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
1318
1319     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
1320     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
1321
1322     ncon_triangle = 0;
1323     for (c0 = 0; c0 < ncon_tot; c0++)
1324     {
1325         bTriangle = FALSE;
1326         iap       = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c0);
1327         a00       = iap[1];
1328         a01       = iap[2];
1329         for (n1 = at2con->index[a01]; n1 < at2con->index[a01+1]; n1++)
1330         {
1331             c1 = at2con->a[n1];
1332             if (c1 != c0)
1333             {
1334                 iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c1);
1335                 a10 = iap[1];
1336                 a11 = iap[2];
1337                 if (a10 == a01)
1338                 {
1339                     ac1 = a11;
1340                 }
1341                 else
1342                 {
1343                     ac1 = a10;
1344                 }
1345                 for (n2 = at2con->index[ac1]; n2 < at2con->index[ac1+1]; n2++)
1346                 {
1347                     c2 = at2con->a[n2];
1348                     if (c2 != c0 && c2 != c1)
1349                     {
1350                         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c2);
1351                         a20 = iap[1];
1352                         a21 = iap[2];
1353                         if (a20 == a00 || a21 == a00)
1354                         {
1355                             bTriangle = TRUE;
1356                         }
1357                     }
1358                 }
1359             }
1360         }
1361         if (bTriangle)
1362         {
1363             ncon_triangle++;
1364         }
1365     }
1366
1367     return ncon_triangle;
1368 }
1369
1370 static gmx_bool more_than_two_sequential_constraints(const t_ilist  *ilist,
1371                                                      const t_blocka *at2con)
1372 {
1373     t_iatom  *ia1, *ia2, *iap;
1374     int       ncon1, ncon_tot, c;
1375     int       a1, a2;
1376     gmx_bool  bMoreThanTwoSequentialConstraints;
1377
1378     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
1379     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
1380
1381     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
1382     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
1383
1384     bMoreThanTwoSequentialConstraints = FALSE;
1385     for (c = 0; c < ncon_tot && !bMoreThanTwoSequentialConstraints; c++)
1386     {
1387         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c);
1388         a1  = iap[1];
1389         a2  = iap[2];
1390         /* Check if this constraint has constraints connected at both atoms */
1391         if (at2con->index[a1+1] - at2con->index[a1] > 1 &&
1392             at2con->index[a2+1] - at2con->index[a2] > 1)
1393         {
1394             bMoreThanTwoSequentialConstraints = TRUE;
1395         }
1396     }
1397
1398     return bMoreThanTwoSequentialConstraints;
1399 }
1400
1401 static int int_comp(const void *a, const void *b)
1402 {
1403     return (*(int *)a) - (*(int *)b);
1404 }
1405
1406 gmx_lincsdata_t init_lincs(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
1407                            int nflexcon_global, const t_blocka *at2con,
1408                            gmx_bool bPLINCS, int nIter, int nProjOrder)
1409 {
1410     struct gmx_lincsdata *li;
1411     int                   mt, mb;
1412     gmx_moltype_t        *molt;
1413     gmx_bool              bMoreThanTwoSeq;
1414
1415     if (fplog)
1416     {
1417         fprintf(fplog, "\nInitializing%s LINear Constraint Solver\n",
1418                 bPLINCS ? " Parallel" : "");
1419     }
1420
1421     snew(li, 1);
1422
1423     li->ncg      =
1424         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) +
1425         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC);
1426     li->ncg_flex = nflexcon_global;
1427
1428     li->nIter  = nIter;
1429     li->nOrder = nProjOrder;
1430
1431     li->max_connect = 0;
1432     for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1433     {
1434         int a;
1435
1436         molt = &mtop->moltype[mt];
1437         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
1438         {
1439             li->max_connect = std::max(li->max_connect,
1440                                        at2con[mt].index[a + 1] - at2con[mt].index[a]);
1441         }
1442     }
1443
1444     li->ncg_triangle = 0;
1445     bMoreThanTwoSeq  = FALSE;
1446     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1447     {
1448         molt              = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
1449
1450         li->ncg_triangle +=
1451             mtop->molblock[mb].nmol*
1452             count_triangle_constraints(molt->ilist,
1453                                        &at2con[mtop->molblock[mb].type]);
1454
1455         if (!bMoreThanTwoSeq &&
1456             more_than_two_sequential_constraints(molt->ilist, &at2con[mtop->molblock[mb].type]))
1457         {
1458             bMoreThanTwoSeq = TRUE;
1459         }
1460     }
1461
1462     /* Check if we need to communicate not only before LINCS,
1463      * but also before each iteration.
1464      * The check for only two sequential constraints is only
1465      * useful for the common case of H-bond only constraints.
1466      * With more effort we could also make it useful for small
1467      * molecules with nr. sequential constraints <= nOrder-1.
1468      */
1469     li->bCommIter = (bPLINCS && (li->nOrder < 1 || bMoreThanTwoSeq));
1470
1471     if (debug && bPLINCS)
1472     {
1473         fprintf(debug, "PLINCS communication before each iteration: %d\n",
1474                 li->bCommIter);
1475     }
1476
1477     /* LINCS can run on any number of threads.
1478      * Currently the number is fixed for the whole simulation,
1479      * but it could be set in set_lincs().
1480      * The current constraint to task assignment code can create independent
1481      * tasks only when not more than two constraints are connected sequentially.
1482      */
1483     li->ntask    = gmx_omp_nthreads_get(emntLINCS);
1484     li->bTaskDep = (li->ntask > 1 && bMoreThanTwoSeq);
1485     if (debug)
1486     {
1487         fprintf(debug, "LINCS: using %d threads, tasks are %sdependent\n",
1488                 li->ntask, li->bTaskDep ? "" : "in");
1489     }
1490     if (li->ntask == 1)
1491     {
1492         snew(li->task, 1);
1493     }
1494     else
1495     {
1496         /* Allocate an extra elements for "task-overlap" constraints */
1497         snew(li->task, li->ntask + 1);
1498     }
1499
1500     if (bPLINCS || li->ncg_triangle > 0)
1501     {
1502         please_cite(fplog, "Hess2008a");
1503     }
1504     else
1505     {
1506         please_cite(fplog, "Hess97a");
1507     }
1508
1509     if (fplog)
1510     {
1511         fprintf(fplog, "The number of constraints is %d\n", li->ncg);
1512         if (bPLINCS)
1513         {
1514             fprintf(fplog, "There are inter charge-group constraints,\n"
1515                     "will communicate selected coordinates each lincs iteration\n");
1516         }
1517         if (li->ncg_triangle > 0)
1518         {
1519             fprintf(fplog,
1520                     "%d constraints are involved in constraint triangles,\n"
1521                     "will apply an additional matrix expansion of order %d for couplings\n"
1522                     "between constraints inside triangles\n",
1523                     li->ncg_triangle, li->nOrder);
1524         }
1525     }
1526
1527     return li;
1528 }
1529
1530 /* Sets up the work division over the threads */
1531 static void lincs_thread_setup(struct gmx_lincsdata *li, int natoms)
1532 {
1533     lincs_task_t   *li_m;
1534     int             th;
1535     gmx_bitmask_t  *atf;
1536     int             a;
1537
1538     if (natoms > li->atf_nalloc)
1539     {
1540         li->atf_nalloc = over_alloc_large(natoms);
1541         srenew(li->atf, li->atf_nalloc);
1542     }
1543
1544     atf = li->atf;
1545     /* Clear the atom flags */
1546     for (a = 0; a < natoms; a++)
1547     {
1548         bitmask_clear(&atf[a]);
1549     }
1550
1551     if (li->ntask > BITMASK_SIZE)
1552     {
1553         gmx_fatal(FARGS, "More than %d threads is not supported for LINCS.", BITMASK_SIZE);
1554     }
1555
1556     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1557     {
1558         lincs_task_t *li_task;
1559         int           b;
1560
1561         li_task = &li->task[th];
1562
1563         /* For each atom set a flag for constraints from each */
1564         for (b = li_task->b0; b < li_task->b1; b++)
1565         {
1566             bitmask_set_bit(&atf[li->bla[b*2    ]], th);
1567             bitmask_set_bit(&atf[li->bla[b*2 + 1]], th);
1568         }
1569     }
1570
1571 #pragma omp parallel for num_threads(li->ntask) schedule(static)
1572     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1573     {
1574         try
1575         {
1576             lincs_task_t  *li_task;
1577             gmx_bitmask_t  mask;
1578             int            b;
1579
1580             li_task = &li->task[th];
1581
1582             if (li_task->b1 - li_task->b0 > li_task->ind_nalloc)
1583             {
1584                 li_task->ind_nalloc = over_alloc_large(li_task->b1-li_task->b0);
1585                 srenew(li_task->ind, li_task->ind_nalloc);
1586                 srenew(li_task->ind_r, li_task->ind_nalloc);
1587             }
1588
1589             bitmask_init_low_bits(&mask, th);
1590
1591             li_task->nind   = 0;
1592             li_task->nind_r = 0;
1593             for (b = li_task->b0; b < li_task->b1; b++)
1594             {
1595                 /* We let the constraint with the lowest thread index
1596                  * operate on atoms with constraints from multiple threads.
1597                  */
1598                 if (bitmask_is_disjoint(atf[li->bla[b*2]], mask) &&
1599                     bitmask_is_disjoint(atf[li->bla[b*2+1]], mask))
1600                 {
1601                     /* Add the constraint to the local atom update index */
1602                     li_task->ind[li_task->nind++] = b;
1603                 }
1604                 else
1605                 {
1606                     /* Add the constraint to the rest block */
1607                     li_task->ind_r[li_task->nind_r++] = b;
1608                 }
1609             }
1610         }
1611         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1612     }
1613
1614     /* We need to copy all constraints which have not be assigned
1615      * to a thread to a separate list which will be handled by one thread.
1616      */
1617     li_m = &li->task[li->ntask];
1618
1619     li_m->nind = 0;
1620     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1621     {
1622         lincs_task_t *li_task;
1623         int           b;
1624
1625         li_task   = &li->task[th];
1626
1627         if (li_m->nind + li_task->nind_r > li_m->ind_nalloc)
1628         {
1629             li_m->ind_nalloc = over_alloc_large(li_m->nind+li_task->nind_r);
1630             srenew(li_m->ind, li_m->ind_nalloc);
1631         }
1632
1633         for (b = 0; b < li_task->nind_r; b++)
1634         {
1635             li_m->ind[li_m->nind++] = li_task->ind_r[b];
1636         }
1637
1638         if (debug)
1639         {
1640             fprintf(debug, "LINCS thread %d: %d constraints\n",
1641                     th, li_task->nind);
1642         }
1643     }
1644
1645     if (debug)
1646     {
1647         fprintf(debug, "LINCS thread r: %d constraints\n",
1648                 li_m->nind);
1649     }
1650 }
1651
1652 /* There is no realloc with alignment, so here we make one for reals.
1653  * Note that this function does not preserve the contents of the memory.
1654  */
1655 static void resize_real_aligned(real **ptr, int nelem)
1656 {
1657     sfree_aligned(*ptr);
1658     snew_aligned(*ptr, nelem, align_bytes);
1659 }
1660
1661 static void assign_constraint(struct gmx_lincsdata *li,
1662                               int constraint_index,
1663                               int a1, int a2,
1664                               real lenA, real lenB,
1665                               const t_blocka *at2con)
1666 {
1667     int con;
1668
1669     con = li->nc;
1670
1671     /* Make an mapping of local topology constraint index to LINCS index */
1672     li->con_index[constraint_index] = con;
1673
1674     li->bllen0[con]  = lenA;
1675     li->ddist[con]   = lenB - lenA;
1676     /* Set the length to the topology A length */
1677     li->bllen[con]   = lenA;
1678     li->bla[2*con]   = a1;
1679     li->bla[2*con+1] = a2;
1680
1681     /* Make space in the constraint connection matrix for constraints
1682      * connected to both end of the current constraint.
1683      */
1684     li->ncc +=
1685         at2con->index[a1 + 1] - at2con->index[a1] - 1 +
1686         at2con->index[a2 + 1] - at2con->index[a2] - 1;
1687
1688     li->blnr[con + 1] = li->ncc;
1689
1690     /* Increase the constraint count */
1691     li->nc++;
1692 }
1693
1694 /* Check if constraint with topology index constraint_index is connected
1695  * to other constraints, and if so add those connected constraints to our task.
1696  */
1697 static void check_assign_connected(struct gmx_lincsdata *li,
1698                                    const t_iatom *iatom,
1699                                    const t_idef *idef,
1700                                    int bDynamics,
1701                                    int a1, int a2,
1702                                    const t_blocka *at2con)
1703 {
1704     /* Currently this function only supports constraint groups
1705      * in which all constraints share at least one atom
1706      * (e.g. H-bond constraints).
1707      * Check both ends of the current constraint for
1708      * connected constraints. We need to assign those
1709      * to the same task.
1710      */
1711     int end;
1712
1713     for (end = 0; end < 2; end++)
1714     {
1715         int a, k;
1716
1717         a = (end == 0 ? a1 : a2);
1718
1719         for (k = at2con->index[a]; k < at2con->index[a + 1]; k++)
1720         {
1721             int cc;
1722
1723             cc = at2con->a[k];
1724             /* Check if constraint cc has not yet been assigned */
1725             if (li->con_index[cc] == -1)
1726             {
1727                 int  type;
1728                 real lenA, lenB;
1729
1730                 type = iatom[cc*3];
1731                 lenA = idef->iparams[type].constr.dA;
1732                 lenB = idef->iparams[type].constr.dB;
1733
1734                 if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
1735                 {
1736                     assign_constraint(li, cc, iatom[3*cc + 1], iatom[3*cc + 2], lenA, lenB, at2con);
1737                 }
1738             }
1739         }
1740     }
1741 }
1742
1743 /* Check if constraint with topology index constraint_index is involved
1744  * in a constraint triangle, and if so add the other two constraints
1745  * in the triangle to our task.
1746  */
1747 static void check_assign_triangle(struct gmx_lincsdata *li,
1748                                   const t_iatom *iatom,
1749                                   const t_idef *idef,
1750                                   int bDynamics,
1751                                   int constraint_index,
1752                                   int a1, int a2,
1753                                   const t_blocka *at2con)
1754 {
1755     int nca, cc[32], ca[32], k;
1756     int c_triangle[2] = { -1, -1 };
1757
1758     nca = 0;
1759     for (k = at2con->index[a1]; k < at2con->index[a1 + 1]; k++)
1760     {
1761         int c;
1762
1763         c = at2con->a[k];
1764         if (c != constraint_index)
1765         {
1766             int aa1, aa2;
1767
1768             aa1 = iatom[c*3 + 1];
1769             aa2 = iatom[c*3 + 2];
1770             if (aa1 != a1)
1771             {
1772                 cc[nca] = c;
1773                 ca[nca] = aa1;
1774                 nca++;
1775             }
1776             if (aa2 != a1)
1777             {
1778                 cc[nca] = c;
1779                 ca[nca] = aa2;
1780                 nca++;
1781             }
1782         }
1783     }
1784
1785     for (k = at2con->index[a2]; k < at2con->index[a2 + 1]; k++)
1786     {
1787         int c;
1788
1789         c = at2con->a[k];
1790         if (c != constraint_index)
1791         {
1792             int aa1, aa2, i;
1793
1794             aa1 = iatom[c*3 + 1];
1795             aa2 = iatom[c*3 + 2];
1796             if (aa1 != a2)
1797             {
1798                 for (i = 0; i < nca; i++)
1799                 {
1800                     if (aa1 == ca[i])
1801                     {
1802                         c_triangle[0] = cc[i];
1803                         c_triangle[1] = c;
1804                     }
1805                 }
1806             }
1807             if (aa2 != a2)
1808             {
1809                 for (i = 0; i < nca; i++)
1810                 {
1811                     if (aa2 == ca[i])
1812                     {
1813                         c_triangle[0] = cc[i];
1814                         c_triangle[1] = c;
1815                     }
1816                 }
1817             }
1818         }
1819     }
1820
1821     if (c_triangle[0] >= 0)
1822     {
1823         int end;
1824
1825         for (end = 0; end < 2; end++)
1826         {
1827             /* Check if constraint c_triangle[end] has not yet been assigned */
1828             if (li->con_index[c_triangle[end]] == -1)
1829             {
1830                 int  i, type;
1831                 real lenA, lenB;
1832
1833                 i    = c_triangle[end]*3;
1834                 type = iatom[i];
1835                 lenA = idef->iparams[type].constr.dA;
1836                 lenB = idef->iparams[type].constr.dB;
1837
1838                 if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
1839                 {
1840                     assign_constraint(li, c_triangle[end], iatom[i + 1], iatom[i + 2], lenA, lenB, at2con);
1841                 }
1842             }
1843         }
1844     }
1845 }
1846
1847 static void set_matrix_indices(struct gmx_lincsdata *li,
1848                                const lincs_task_t   *li_task,
1849                                const t_blocka       *at2con,
1850                                gmx_bool              bSortMatrix)
1851 {
1852     int b;
1853
1854     for (b = li_task->b0; b < li_task->b1; b++)
1855     {
1856         int a1, a2, i, k;
1857
1858         a1 = li->bla[b*2];
1859         a2 = li->bla[b*2 + 1];
1860
1861         i = li->blnr[b];
1862         for (k = at2con->index[a1]; k < at2con->index[a1 + 1]; k++)
1863         {
1864             int concon;
1865
1866             concon = li->con_index[at2con->a[k]];
1867             if (concon != b)
1868             {
1869                 li->blbnb[i++] = concon;
1870             }
1871         }
1872         for (k = at2con->index[a2]; k < at2con->index[a2 + 1]; k++)
1873         {
1874             int concon;
1875
1876             concon = li->con_index[at2con->a[k]];
1877             if (concon != b)
1878             {
1879                 li->blbnb[i++] = concon;
1880             }
1881         }
1882
1883         if (bSortMatrix)
1884         {
1885             /* Order the blbnb matrix to optimize memory access */
1886             qsort(&(li->blbnb[li->blnr[b]]), li->blnr[b + 1] - li->blnr[b],
1887                   sizeof(li->blbnb[0]), int_comp);
1888         }
1889     }
1890 }
1891
1892 void set_lincs(const t_idef         *idef,
1893                const t_mdatoms      *md,
1894                gmx_bool              bDynamics,
1895                t_commrec            *cr,
1896                struct gmx_lincsdata *li)
1897 {
1898     int          natoms, nflexcon;
1899     t_blocka     at2con;
1900     t_iatom     *iatom;
1901     int          i, ncc_alloc_old, ncon_tot;
1902
1903     li->nc_real = 0;
1904     li->nc      = 0;
1905     li->ncc     = 0;
1906     /* Zero the thread index ranges.
1907      * Otherwise without local constraints we could return with old ranges.
1908      */
1909     for (i = 0; i < li->ntask; i++)
1910     {
1911         li->task[i].b0   = 0;
1912         li->task[i].b1   = 0;
1913         li->task[i].nind = 0;
1914     }
1915     if (li->ntask > 1)
1916     {
1917         li->task[li->ntask].nind = 0;
1918     }
1919
1920     /* This is the local topology, so there are only F_CONSTR constraints */
1921     if (idef->il[F_CONSTR].nr == 0)
1922     {
1923         /* There are no constraints,
1924          * we do not need to fill any data structures.
1925          */
1926         return;
1927     }
1928
1929     if (debug)
1930     {
1931         fprintf(debug, "Building the LINCS connectivity\n");
1932     }
1933
1934     if (DOMAINDECOMP(cr))
1935     {
1936         if (cr->dd->constraints)
1937         {
1938             int start;
1939
1940             dd_get_constraint_range(cr->dd, &start, &natoms);
1941         }
1942         else
1943         {
1944             natoms = cr->dd->nat_home;
1945         }
1946     }
1947     else
1948     {
1949         natoms = md->homenr;
1950     }
1951     at2con = make_at2con(0, natoms, idef->il, idef->iparams, bDynamics,
1952                          &nflexcon);
1953
1954     ncon_tot = idef->il[F_CONSTR].nr/3;
1955
1956     /* Ensure we have enough padding for aligned loads for each thread */
1957     if (ncon_tot + li->ntask*simd_width > li->nc_alloc || li->nc_alloc == 0)
1958     {
1959         li->nc_alloc = over_alloc_dd(ncon_tot + li->ntask*simd_width);
1960         srenew(li->con_index, li->nc_alloc);
1961         resize_real_aligned(&li->bllen0, li->nc_alloc);
1962         resize_real_aligned(&li->ddist, li->nc_alloc);
1963         srenew(li->bla, 2*li->nc_alloc);
1964         resize_real_aligned(&li->blc, li->nc_alloc);
1965         resize_real_aligned(&li->blc1, li->nc_alloc);
1966         srenew(li->blnr, li->nc_alloc + 1);
1967         resize_real_aligned(&li->bllen, li->nc_alloc);
1968         srenew(li->tmpv, li->nc_alloc);
1969         if (DOMAINDECOMP(cr))
1970         {
1971             srenew(li->nlocat, li->nc_alloc);
1972         }
1973         resize_real_aligned(&li->tmp1, li->nc_alloc);
1974         resize_real_aligned(&li->tmp2, li->nc_alloc);
1975         resize_real_aligned(&li->tmp3, li->nc_alloc);
1976         resize_real_aligned(&li->tmp4, li->nc_alloc);
1977         resize_real_aligned(&li->mlambda, li->nc_alloc);
1978     }
1979
1980     iatom = idef->il[F_CONSTR].iatoms;
1981
1982     ncc_alloc_old = li->ncc_alloc;
1983     li->blnr[0]   = li->ncc;
1984
1985     /* Assign the constraints for li->ntask LINCS tasks.
1986      * We target a uniform distribution of constraints over the tasks.
1987      * Note that when flexible constraints are present, but are removed here
1988      * (e.g. because we are doing EM) we get imbalance, but since that doesn't
1989      * happen during normal MD, that's ok.
1990      */
1991     int ncon_assign, ncon_target, con, th;
1992
1993     /* Determine the number of constraints we need to assign here */
1994     ncon_assign      = ncon_tot;
1995     if (!bDynamics)
1996     {
1997         /* With energy minimization, flexible constraints are ignored
1998          * (and thus minimized, as they should be).
1999          */
2000         ncon_assign -= nflexcon;
2001     }
2002
2003     /* Set the target constraint count per task to exactly uniform,
2004      * this might be overridden below.
2005      */
2006     ncon_target = (ncon_assign + li->ntask - 1)/li->ntask;
2007
2008     /* Mark all constraints as unassigned by setting their index to -1 */
2009     for (con = 0; con < ncon_tot; con++)
2010     {
2011         li->con_index[con] = -1;
2012     }
2013
2014     con = 0;
2015     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
2016     {
2017         lincs_task_t *li_task;
2018
2019         li_task = &li->task[th];
2020
2021 #if GMX_SIMD_HAVE_REAL
2022         /* With indepedent tasks we likely have H-bond constraints or constraint
2023          * pairs. The connected constraints will be pulled into the task, so the
2024          * constraints per task will often exceed ncon_target.
2025          * Triangle constraints can also increase the count, but there are
2026          * relatively few of those, so we usually expect to get ncon_target.
2027          */
2028         if (li->bTaskDep)
2029         {
2030             /* We round ncon_target to a multiple of GMX_SIMD_WIDTH,
2031              * since otherwise a lot of operations can be wasted.
2032              * There are several ways to round here, we choose the one
2033              * that alternates block sizes, which helps with Intel HT.
2034              */
2035             ncon_target = ((ncon_assign*(th + 1))/li->ntask - li->nc_real + GMX_SIMD_REAL_WIDTH - 1) & ~(GMX_SIMD_REAL_WIDTH - 1);
2036         }
2037 #endif  // GMX_SIMD==2 && GMX_SIMD_HAVE_REAL
2038
2039         /* Continue filling the arrays where we left off with the previous task,
2040          * including padding for SIMD.
2041          */
2042         li_task->b0 = li->nc;
2043
2044         while (con < ncon_tot && li->nc - li_task->b0 < ncon_target)
2045         {
2046             if (li->con_index[con] == -1)
2047             {
2048                 int  type, a1, a2;
2049                 real lenA, lenB;
2050
2051                 type   = iatom[3*con];
2052                 a1     = iatom[3*con + 1];
2053                 a2     = iatom[3*con + 2];
2054                 lenA   = idef->iparams[type].constr.dA;
2055                 lenB   = idef->iparams[type].constr.dB;
2056                 /* Skip the flexible constraints when not doing dynamics */
2057                 if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
2058                 {
2059                     assign_constraint(li, con, a1, a2, lenA, lenB, &at2con);
2060
2061                     if (li->ntask > 1 && !li->bTaskDep)
2062                     {
2063                         /* We can generate independent tasks. Check if we
2064                          * need to assign connected constraints to our task.
2065                          */
2066                         check_assign_connected(li, iatom, idef, bDynamics,
2067                                                a1, a2, &at2con);
2068                     }
2069                     if (li->ntask > 1 && li->ncg_triangle > 0)
2070                     {
2071                         /* Ensure constraints in one triangle are assigned
2072                          * to the same task.
2073                          */
2074                         check_assign_triangle(li, iatom, idef, bDynamics,
2075                                               con, a1, a2, &at2con);
2076                     }
2077                 }
2078             }
2079
2080             con++;
2081         }
2082
2083         li_task->b1 = li->nc;
2084
2085         if (simd_width > 1)
2086         {
2087             /* Copy the last atom pair indices and lengths for constraints
2088              * up to a multiple of simd_width, such that we can do all
2089              * SIMD operations without having to worry about end effects.
2090              */
2091             int i, last;
2092
2093             li->nc = ((li_task->b1 + simd_width - 1)/simd_width)*simd_width;
2094             last   = li_task->b1 - 1;
2095             for (i = li_task->b1; i < li->nc; i++)
2096             {
2097                 li->bla[i*2    ] = li->bla[last*2    ];
2098                 li->bla[i*2 + 1] = li->bla[last*2 + 1];
2099                 li->bllen0[i]    = li->bllen0[last];
2100                 li->ddist[i]     = li->ddist[last];
2101                 li->bllen[i]     = li->bllen[last];
2102                 li->blnr[i + 1]  = li->blnr[last + 1];
2103             }
2104         }
2105
2106         /* Keep track of how many constraints we assigned */
2107         li->nc_real += li_task->b1 - li_task->b0;
2108
2109         if (debug)
2110         {
2111             fprintf(debug, "LINCS task %d constraints %d - %d\n",
2112                     th, li_task->b0, li_task->b1);
2113         }
2114     }
2115
2116     assert(li->nc_real == ncon_assign);
2117
2118     gmx_bool bSortMatrix;
2119
2120     /* Without DD we order the blbnb matrix to optimize memory access.
2121      * With DD the overhead of sorting is more than the gain during access.
2122      */
2123     bSortMatrix = !DOMAINDECOMP(cr);
2124
2125     if (li->ncc > li->ncc_alloc)
2126     {
2127         li->ncc_alloc = over_alloc_small(li->ncc);
2128         srenew(li->blbnb, li->ncc_alloc);
2129     }
2130
2131 #pragma omp parallel for num_threads(li->ntask) schedule(static)
2132     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
2133     {
2134         try
2135         {
2136             lincs_task_t *li_task;
2137
2138             li_task = &li->task[th];
2139
2140             if (li->ncg_triangle > 0 &&
2141                 li_task->b1 - li_task->b0 > li_task->tri_alloc)
2142             {
2143                 /* This is allocating too much, but it is difficult to improve */
2144                 li_task->tri_alloc = over_alloc_dd(li_task->b1 - li_task->b0);
2145                 srenew(li_task->triangle, li_task->tri_alloc);
2146                 srenew(li_task->tri_bits, li_task->tri_alloc);
2147             }
2148
2149             set_matrix_indices(li, li_task, &at2con, bSortMatrix);
2150         }
2151         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2152     }
2153
2154     done_blocka(&at2con);
2155
2156     if (cr->dd == NULL)
2157     {
2158         /* Since the matrix is static, we should free some memory */
2159         li->ncc_alloc = li->ncc;
2160         srenew(li->blbnb, li->ncc_alloc);
2161     }
2162
2163     if (li->ncc_alloc > ncc_alloc_old)
2164     {
2165         srenew(li->blmf, li->ncc_alloc);
2166         srenew(li->blmf1, li->ncc_alloc);
2167         srenew(li->tmpncc, li->ncc_alloc);
2168     }
2169
2170     if (DOMAINDECOMP(cr) && dd_constraints_nlocalatoms(cr->dd) != NULL)
2171     {
2172         int *nlocat_dd;
2173
2174         nlocat_dd = dd_constraints_nlocalatoms(cr->dd);
2175
2176         /* Convert nlocat from local topology to LINCS constraint indexing */
2177         for (con = 0; con < ncon_tot; con++)
2178         {
2179             li->nlocat[li->con_index[con]] = nlocat_dd[con];
2180         }
2181     }
2182     else
2183     {
2184         li->nlocat = NULL;
2185     }
2186
2187     if (debug)
2188     {
2189         fprintf(debug, "Number of constraints is %d, padded %d, couplings %d\n",
2190                 li->nc_real, li->nc, li->ncc);
2191     }
2192
2193     if (li->ntask > 1)
2194     {
2195         lincs_thread_setup(li, md->nr);
2196     }
2197
2198     set_lincs_matrix(li, md->invmass, md->lambda);
2199 }
2200
2201 static void lincs_warning(FILE *fplog,
2202                           gmx_domdec_t *dd, rvec *x, rvec *xprime, t_pbc *pbc,
2203                           int ncons, int *bla, real *bllen, real wangle,
2204                           int maxwarn, int *warncount)
2205 {
2206     int  b, i, j;
2207     rvec v0, v1;
2208     real wfac, d0, d1, cosine;
2209     char buf[STRLEN];
2210
2211     wfac = std::cos(DEG2RAD*wangle);
2212
2213     sprintf(buf, "bonds that rotated more than %g degrees:\n"
2214             " atom 1 atom 2  angle  previous, current, constraint length\n",
2215             wangle);
2216     fprintf(stderr, "%s", buf);
2217     if (fplog)
2218     {
2219         fprintf(fplog, "%s", buf);
2220     }
2221
2222     for (b = 0; b < ncons; b++)
2223     {
2224         i = bla[2*b];
2225         j = bla[2*b+1];
2226         if (pbc)
2227         {
2228             pbc_dx_aiuc(pbc, x[i], x[j], v0);
2229             pbc_dx_aiuc(pbc, xprime[i], xprime[j], v1);
2230         }
2231         else
2232         {
2233             rvec_sub(x[i], x[j], v0);
2234             rvec_sub(xprime[i], xprime[j], v1);
2235         }
2236         d0     = norm(v0);
2237         d1     = norm(v1);
2238         cosine = iprod(v0, v1)/(d0*d1);
2239         if (cosine < wfac)
2240         {
2241             sprintf(buf, " %6d %6d  %5.1f  %8.4f %8.4f    %8.4f\n",
2242                     ddglatnr(dd, i), ddglatnr(dd, j),
2243                     RAD2DEG*std::acos(cosine), d0, d1, bllen[b]);
2244             fprintf(stderr, "%s", buf);
2245             if (fplog)
2246             {
2247                 fprintf(fplog, "%s", buf);
2248             }
2249             if (!std::isfinite(d1))
2250             {
2251                 gmx_fatal(FARGS, "Bond length not finite.");
2252             }
2253
2254             (*warncount)++;
2255         }
2256     }
2257     if (*warncount > maxwarn)
2258     {
2259         too_many_constraint_warnings(econtLINCS, *warncount);
2260     }
2261 }
2262
2263 static void cconerr(const struct gmx_lincsdata *lincsd,
2264                     rvec *x, t_pbc *pbc,
2265                     real *ncons_loc, real *ssd, real *max, int *imax)
2266 {
2267     const int  *bla, *nlocat;
2268     const real *bllen;
2269     real        ma, ssd2;
2270     int         count, im, task;
2271
2272     bla    = lincsd->bla;
2273     bllen  = lincsd->bllen;
2274     nlocat = lincsd->nlocat;
2275
2276     ma    = 0;
2277     ssd2  = 0;
2278     im    = 0;
2279     count = 0;
2280     for (task = 0; task < lincsd->ntask; task++)
2281     {
2282         int b;
2283
2284         for (b = lincsd->task[task].b0; b < lincsd->task[task].b1; b++)
2285         {
2286             real len, d, r2;
2287             rvec dx;
2288
2289             if (pbc)
2290             {
2291                 pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
2292             }
2293             else
2294             {
2295                 rvec_sub(x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
2296             }
2297             r2  = norm2(dx);
2298             len = r2*gmx::invsqrt(r2);
2299             d   = std::abs(len/bllen[b]-1);
2300             if (d > ma && (nlocat == NULL || nlocat[b]))
2301             {
2302                 ma = d;
2303                 im = b;
2304             }
2305             if (nlocat == NULL)
2306             {
2307                 ssd2 += d*d;
2308                 count++;
2309             }
2310             else
2311             {
2312                 ssd2  += nlocat[b]*d*d;
2313                 count += nlocat[b];
2314             }
2315         }
2316     }
2317
2318     *ncons_loc = (nlocat ? 0.5 : 1)*count;
2319     *ssd       = (nlocat ? 0.5 : 1)*ssd2;
2320     *max       = ma;
2321     *imax      = im;
2322 }
2323
2324 gmx_bool constrain_lincs(FILE *fplog, gmx_bool bLog, gmx_bool bEner,
2325                          t_inputrec *ir,
2326                          gmx_int64_t step,
2327                          struct gmx_lincsdata *lincsd, t_mdatoms *md,
2328                          t_commrec *cr,
2329                          rvec *x, rvec *xprime, rvec *min_proj,
2330                          matrix box, t_pbc *pbc,
2331                          real lambda, real *dvdlambda,
2332                          real invdt, rvec *v,
2333                          gmx_bool bCalcVir, tensor vir_r_m_dr,
2334                          int econq,
2335                          t_nrnb *nrnb,
2336                          int maxwarn, int *warncount)
2337 {
2338     gmx_bool  bCalcDHDL;
2339     char      buf[STRLEN], buf2[22], buf3[STRLEN];
2340     int       i, p_imax;
2341     real      ncons_loc, p_ssd, p_max = 0;
2342     rvec      dx;
2343     gmx_bool  bOK, bWarn;
2344
2345     bOK = TRUE;
2346
2347     /* This boolean should be set by a flag passed to this routine.
2348      * We can also easily check if any constraint length is changed,
2349      * if not dH/dlambda=0 and we can also set the boolean to FALSE.
2350      */
2351     bCalcDHDL = (ir->efep != efepNO && dvdlambda != NULL);
2352
2353     if (lincsd->nc == 0 && cr->dd == NULL)
2354     {
2355         if (bLog || bEner)
2356         {
2357             lincsd->rmsd_data[0] = 0;
2358             lincsd->rmsd_data[1] = 0;
2359         }
2360
2361         return bOK;
2362     }
2363
2364     if (econq == econqCoord)
2365     {
2366         /* We can't use bCalcDHDL here, since NULL can be passed for dvdlambda
2367          * also with efep!=fepNO.
2368          */
2369         if (ir->efep != efepNO)
2370         {
2371             if (md->nMassPerturbed && lincsd->matlam != md->lambda)
2372             {
2373                 set_lincs_matrix(lincsd, md->invmass, md->lambda);
2374             }
2375
2376             for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
2377             {
2378                 lincsd->bllen[i] = lincsd->bllen0[i] + lambda*lincsd->ddist[i];
2379             }
2380         }
2381
2382         if (lincsd->ncg_flex)
2383         {
2384             /* Set the flexible constraint lengths to the old lengths */
2385             if (pbc != NULL)
2386             {
2387                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
2388                 {
2389                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
2390                     {
2391                         pbc_dx_aiuc(pbc, x[lincsd->bla[2*i]], x[lincsd->bla[2*i+1]], dx);
2392                         lincsd->bllen[i] = norm(dx);
2393                     }
2394                 }
2395             }
2396             else
2397             {
2398                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
2399                 {
2400                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
2401                     {
2402                         lincsd->bllen[i] =
2403                             std::sqrt(distance2(x[lincsd->bla[2*i]],
2404                                                 x[lincsd->bla[2*i+1]]));
2405                     }
2406                 }
2407             }
2408         }
2409
2410         if (bLog && fplog)
2411         {
2412             cconerr(lincsd, xprime, pbc,
2413                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
2414         }
2415
2416         /* This bWarn var can be updated by multiple threads
2417          * at the same time. But as we only need to detect
2418          * if a warning occurred or not, this is not an issue.
2419          */
2420         bWarn = FALSE;
2421
2422         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for coords */
2423 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->ntask)
2424         {
2425             try
2426             {
2427                 int th = gmx_omp_get_thread_num();
2428
2429                 clear_mat(lincsd->task[th].vir_r_m_dr);
2430
2431                 do_lincs(x, xprime, box, pbc, lincsd, th,
2432                          md->invmass, cr,
2433                          bCalcDHDL,
2434                          ir->LincsWarnAngle, &bWarn,
2435                          invdt, v, bCalcVir,
2436                          th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->task[th].vir_r_m_dr);
2437             }
2438             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2439         }
2440
2441         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
2442         {
2443             fprintf(fplog, "   Rel. Constraint Deviation:  RMS         MAX     between atoms\n");
2444             fprintf(fplog, "       Before LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n",
2445                     std::sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
2446                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
2447                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
2448         }
2449         if (bLog || bEner)
2450         {
2451             cconerr(lincsd, xprime, pbc,
2452                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
2453             lincsd->rmsd_data[0] = ncons_loc;
2454             lincsd->rmsd_data[1] = p_ssd;
2455         }
2456         else
2457         {
2458             lincsd->rmsd_data[0] = 0;
2459             lincsd->rmsd_data[1] = 0;
2460             lincsd->rmsd_data[2] = 0;
2461         }
2462         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
2463         {
2464             fprintf(fplog,
2465                     "        After LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n\n",
2466                     std::sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
2467                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
2468                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
2469         }
2470
2471         if (bWarn)
2472         {
2473             if (maxwarn < INT_MAX)
2474             {
2475                 cconerr(lincsd, xprime, pbc,
2476                         &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
2477                 if (MULTISIM(cr))
2478                 {
2479                     sprintf(buf3, " in simulation %d", cr->ms->sim);
2480                 }
2481                 else
2482                 {
2483                     buf3[0] = 0;
2484                 }
2485                 sprintf(buf, "\nStep %s, time %g (ps)  LINCS WARNING%s\n"
2486                         "relative constraint deviation after LINCS:\n"
2487                         "rms %.6f, max %.6f (between atoms %d and %d)\n",
2488                         gmx_step_str(step, buf2), ir->init_t+step*ir->delta_t,
2489                         buf3,
2490                         std::sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
2491                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
2492                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
2493                 if (fplog)
2494                 {
2495                     fprintf(fplog, "%s", buf);
2496                 }
2497                 fprintf(stderr, "%s", buf);
2498                 lincs_warning(fplog, cr->dd, x, xprime, pbc,
2499                               lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen,
2500                               ir->LincsWarnAngle, maxwarn, warncount);
2501             }
2502             bOK = (p_max < 0.5);
2503         }
2504
2505         if (lincsd->ncg_flex)
2506         {
2507             for (i = 0; (i < lincsd->nc); i++)
2508             {
2509                 if (lincsd->bllen0[i] == 0 && lincsd->ddist[i] == 0)
2510                 {
2511                     lincsd->bllen[i] = 0;
2512                 }
2513             }
2514         }
2515     }
2516     else
2517     {
2518         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for derivatives */
2519 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->ntask)
2520         {
2521             try
2522             {
2523                 int th = gmx_omp_get_thread_num();
2524
2525                 do_lincsp(x, xprime, min_proj, pbc, lincsd, th,
2526                           md->invmass, econq, bCalcDHDL,
2527                           bCalcVir, th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->task[th].vir_r_m_dr);
2528             }
2529             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2530         }
2531     }
2532
2533     if (bCalcDHDL)
2534     {
2535         /* Reduce the dH/dlambda contributions over the threads */
2536         real dhdlambda;
2537         int  th;
2538
2539         dhdlambda = 0;
2540         for (th = 0; th < lincsd->ntask; th++)
2541         {
2542             dhdlambda += lincsd->task[th].dhdlambda;
2543         }
2544         if (econq == econqCoord)
2545         {
2546             /* dhdlambda contains dH/dlambda*dt^2, correct for this */
2547             /* TODO This should probably use invdt, so that sd integrator scaling works properly */
2548             dhdlambda /= ir->delta_t*ir->delta_t;
2549         }
2550         *dvdlambda += dhdlambda;
2551     }
2552
2553     if (bCalcVir && lincsd->ntask > 1)
2554     {
2555         for (i = 1; i < lincsd->ntask; i++)
2556         {
2557             m_add(vir_r_m_dr, lincsd->task[i].vir_r_m_dr, vir_r_m_dr);
2558         }
2559     }
2560
2561     /* count assuming nit=1 */
2562     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCS, lincsd->nc_real);
2563     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, (2+lincsd->nOrder)*lincsd->ncc);
2564     if (lincsd->ntriangle > 0)
2565     {
2566         inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, lincsd->nOrder*lincsd->ncc_triangle);
2567     }
2568     if (v)
2569     {
2570         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_V, lincsd->nc_real*2);
2571     }
2572     if (bCalcVir)
2573     {
2574         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_VIR, lincsd->nc_real);
2575     }
2576
2577     return bOK;
2578 }