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