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 <math.h>
  44 #include <stdlib.h>
  45
  46 #include <algorithm>
  47
  48 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  49 #include "gromacs/fileio/gmxfio.h"
  50 #include "gromacs/legacyheaders/constr.h"
  51 #include "gromacs/legacyheaders/copyrite.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/gmx_omp_nthreads.h"
  53 #include "gromacs/legacyheaders/mdrun.h"
  54 #include "gromacs/legacyheaders/nrnb.h"
  55 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  56 #include "gromacs/math/units.h"
  57 #include "gromacs/math/vec.h"
  58 #include "gromacs/pbcutil/pbc-simd.h"
  59 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  60 #include "gromacs/simd/simd.h"
  61 #include "gromacs/simd/simd_math.h"
  62 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  63 #include "gromacs/topology/block.h"
  64 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  65 #include "gromacs/utility/bitmask.h"
  66 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  67 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  68 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  69
  70 /* MSVC 2010 produces buggy SIMD PBC code, disable SIMD for MSVC <= 2010 */
  71 #if defined GMX_SIMD_HAVE_REAL && !(defined _MSC_VER && _MSC_VER < 1700)
  72 #define LINCS_SIMD
  73 #endif
  74
  75 typedef struct {
  76     int    b0;         /* first constraint for this task */
  77     int    b1;         /* b1-1 is the last constraint for this task */
  78     int    ntriangle;  /* the number of constraints in triangles */
  79     int   *triangle;   /* the list of triangle constraints */
  80     int   *tri_bits;   /* the bits tell if the matrix element should be used */
  81     int    tri_alloc;  /* allocation size of triangle and tri_bits */
  82     int    nind;       /* number of indices */
  83     int   *ind;        /* constraint index for updating atom data */
  84     int    nind_r;     /* number of indices */
  85     int   *ind_r;      /* constraint index for updating atom data */
  86     int    ind_nalloc; /* allocation size of ind and ind_r */
  87     tensor vir_r_m_dr; /* temporary variable for virial calculation */
  88     real   dhdlambda;  /* temporary variable for lambda derivative */
  89     real  *simd_buf;   /* Aligned work array for SIMD */
  90 } lincs_task_t;
  91
  92 typedef struct gmx_lincsdata {
  93     int             ncg;          /* the global number of constraints */
  94     int             ncg_flex;     /* the global number of flexible constraints */
  95     int             ncg_triangle; /* the global number of constraints in triangles */
  96     int             nIter;        /* the number of iterations */
  97     int             nOrder;       /* the order of the matrix expansion */
  98     int             max_connect;  /* the maximum number of constrains connected to a single atom */
  99
 100     int             nc_real;      /* the number of real constraints */
 101     int             nc;           /* the number of constraints including padding for SIMD */
 102     int             nc_alloc;     /* the number we allocated memory for */
 103     int             ncc;          /* the number of constraint connections */
 104     int             ncc_alloc;    /* the number we allocated memory for */
 105     real            matlam;       /* the FE lambda value used for filling blc and blmf */
 106     int            *con_index;    /* mapping from topology to LINCS constraints */
 107     real           *bllen0;       /* the reference distance in topology A */
 108     real           *ddist;        /* the reference distance in top B - the r.d. in top A */
 109     int            *bla;          /* the atom pairs involved in the constraints */
 110     real           *blc;          /* 1/sqrt(invmass1 + invmass2) */
 111     real           *blc1;         /* as blc, but with all masses 1 */
 112     int            *blnr;         /* index into blbnb and blmf */
 113     int            *blbnb;        /* list of constraint connections */
 114     int             ntriangle;    /* the local number of constraints in triangles */
 115     int             ncc_triangle; /* the number of constraint connections in triangles */
 116     gmx_bool        bCommIter;    /* communicate before each LINCS interation */
 117     real           *blmf;         /* matrix of mass factors for constraint connections */
 118     real           *blmf1;        /* as blmf, but with all masses 1 */
 119     real           *bllen;        /* the reference bond length */
 120     int            *nlocat;       /* the local atom count per constraint, can be NULL */
 121
 122     int             ntask;        /* The number of tasks = #threads for LINCS */
 123     lincs_task_t   *task;         /* LINCS thread division */
 124     gmx_bitmask_t  *atf;          /* atom flags for thread parallelization */
 125     int             atf_nalloc;   /* allocation size of atf */
 126     gmx_bool        bTaskDep;     /* are the LINCS tasks interdependent? */
 127     /* arrays for temporary storage in the LINCS algorithm */
 128     rvec           *tmpv;
 129     real           *tmpncc;
 130     real           *tmp1;
 131     real           *tmp2;
 132     real           *tmp3;
 133     real           *tmp4;
 134     real           *mlambda; /* the Lagrange multipliers * -1 */
 135     /* storage for the constraint RMS relative deviation output */
 136     real            rmsd_data[3];
 137 } t_gmx_lincsdata;
 138
 139 /* Define simd_width for memory allocation used for SIMD code */
 140 #ifdef LINCS_SIMD
 141 static const int simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 142 #else
 143 static const int simd_width = 1;
 144 #endif
 145 /* We can't use small memory alignments on many systems, so use min 64 bytes*/
 146 static const int align_bytes = std::max<int>(64, simd_width*sizeof(real));
 147
 148 real *lincs_rmsd_data(struct gmx_lincsdata *lincsd)
 149 {
 150     return lincsd->rmsd_data;
 151 }
 152
 153 real lincs_rmsd(struct gmx_lincsdata *lincsd, gmx_bool bSD2)
 154 {
 155     if (lincsd->rmsd_data[0] > 0)
 156     {
 157         return sqrt(lincsd->rmsd_data[bSD2 ? 2 : 1]/lincsd->rmsd_data[0]);
 158     }
 159     else
 160     {
 161         return 0;
 162     }
 163 }
 164
 165 /* Do a set of nrec LINCS matrix multiplications.
 166  * This function will return with up to date thread-local
 167  * constraint data, without an OpenMP barrier.
 168  */
 169 static void lincs_matrix_expand(const struct gmx_lincsdata *lincsd,
 170                                 const lincs_task_t *li_task,
 171                                 const real *blcc,
 172                                 real *rhs1, real *rhs2, real *sol)
 173 {
 174     int        b0, b1, nrec, rec;
 175     const int *blnr  = lincsd->blnr;
 176     const int *blbnb = lincsd->blbnb;
 177
 178     b0   = li_task->b0;
 179     b1   = li_task->b1;
 180     nrec = lincsd->nOrder;
 181
 182     for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 183     {
 184         int b;
 185
 186         if (lincsd->bTaskDep)
 187         {
 188 #pragma omp barrier
 189         }
 190         for (b = b0; b < b1; b++)
 191         {
 192             real mvb;
 193             int  n;
 194
 195             mvb = 0;
 196             for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 197             {
 198                 mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[blbnb[n]];
 199             }
 200             rhs2[b] = mvb;
 201             sol[b]  = sol[b] + mvb;
 202         }
 203
 204         real *swap;
 205
 206         swap = rhs1;
 207         rhs1 = rhs2;
 208         rhs2 = swap;
 209     } /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 210
 211     if (lincsd->ntriangle > 0)
 212     {
 213         /* Perform an extra nrec recursions for only the constraints
 214          * involved in rigid triangles.
 215          * In this way their accuracy should come close to those of the other
 216          * constraints, since traingles of constraints can produce eigenvalues
 217          * around 0.7, while the effective eigenvalue for bond constraints
 218          * is around 0.4 (and 0.7*0.7=0.5).
 219          */
 220
 221         if (lincsd->bTaskDep)
 222         {
 223             /* We need a barrier here, since other threads might still be
 224              * reading the contents of rhs1 and/o rhs2.
 225              * We could avoid this barrier by introducing two extra rhs
 226              * arrays for the triangle constraints only.
 227              */
 228 #pragma omp barrier
 229         }
 230
 231         /* Constraints involved in a triangle are ensured to be in the same
 232          * LINCS task. This means no barriers are required during the extra
 233          * iterations for the triangle constraints.
 234          */
 235         const int *triangle = li_task->triangle;
 236         const int *tri_bits = li_task->tri_bits;
 237
 238         for (rec = 0; rec < nrec; rec++)
 239         {
 240             int tb;
 241
 242             for (tb = 0; tb < li_task->ntriangle; tb++)
 243             {
 244                 int  b, bits, nr0, nr1, n;
 245                 real mvb;
 246
 247                 b    = triangle[tb];
 248                 bits = tri_bits[tb];
 249                 mvb  = 0;
 250                 nr0  = blnr[b];
 251                 nr1  = blnr[b+1];
 252                 for (n = nr0; n < nr1; n++)
 253                 {
 254                     if (bits & (1 << (n - nr0)))
 255                     {
 256                         mvb = mvb + blcc[n]*rhs1[blbnb[n]];
 257                     }
 258                 }
 259                 rhs2[b] = mvb;
 260                 sol[b]  = sol[b] + mvb;
 261             }
 262
 263             real *swap;
 264
 265             swap = rhs1;
 266             rhs1 = rhs2;
 267             rhs2 = swap;
 268         } /* nrec*(ntriangle + ncc_triangle*2) flops */
 269     }
 270 }
 271
 272 static void lincs_update_atoms_noind(int ncons, const int *bla,
 273                                      real prefac,
 274                                      const real *fac, rvec *r,
 275                                      const real *invmass,
 276                                      rvec *x)
 277 {
 278     int  b, i, j;
 279     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 280
 281     if (invmass != NULL)
 282     {
 283         for (b = 0; b < ncons; b++)
 284         {
 285             i        = bla[2*b];
 286             j        = bla[2*b+1];
 287             mvb      = prefac*fac[b];
 288             im1      = invmass[i];
 289             im2      = invmass[j];
 290             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 291             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 292             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 293             x[i][0] -= tmp0*im1;
 294             x[i][1] -= tmp1*im1;
 295             x[i][2] -= tmp2*im1;
 296             x[j][0] += tmp0*im2;
 297             x[j][1] += tmp1*im2;
 298             x[j][2] += tmp2*im2;
 299         } /* 16 ncons flops */
 300     }
 301     else
 302     {
 303         for (b = 0; b < ncons; b++)
 304         {
 305             i        = bla[2*b];
 306             j        = bla[2*b+1];
 307             mvb      = prefac*fac[b];
 308             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 309             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 310             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 311             x[i][0] -= tmp0;
 312             x[i][1] -= tmp1;
 313             x[i][2] -= tmp2;
 314             x[j][0] += tmp0;
 315             x[j][1] += tmp1;
 316             x[j][2] += tmp2;
 317         }
 318     }
 319 }
 320
 321 static void lincs_update_atoms_ind(int ncons, const int *ind, const int *bla,
 322                                    real prefac,
 323                                    const real *fac, rvec *r,
 324                                    const real *invmass,
 325                                    rvec *x)
 326 {
 327     int  bi, b, i, j;
 328     real mvb, im1, im2, tmp0, tmp1, tmp2;
 329
 330     if (invmass != NULL)
 331     {
 332         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 333         {
 334             b        = ind[bi];
 335             i        = bla[2*b];
 336             j        = bla[2*b+1];
 337             mvb      = prefac*fac[b];
 338             im1      = invmass[i];
 339             im2      = invmass[j];
 340             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 341             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 342             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 343             x[i][0] -= tmp0*im1;
 344             x[i][1] -= tmp1*im1;
 345             x[i][2] -= tmp2*im1;
 346             x[j][0] += tmp0*im2;
 347             x[j][1] += tmp1*im2;
 348             x[j][2] += tmp2*im2;
 349         } /* 16 ncons flops */
 350     }
 351     else
 352     {
 353         for (bi = 0; bi < ncons; bi++)
 354         {
 355             b        = ind[bi];
 356             i        = bla[2*b];
 357             j        = bla[2*b+1];
 358             mvb      = prefac*fac[b];
 359             tmp0     = r[b][0]*mvb;
 360             tmp1     = r[b][1]*mvb;
 361             tmp2     = r[b][2]*mvb;
 362             x[i][0] -= tmp0;
 363             x[i][1] -= tmp1;
 364             x[i][2] -= tmp2;
 365             x[j][0] += tmp0;
 366             x[j][1] += tmp1;
 367             x[j][2] += tmp2;
 368         } /* 16 ncons flops */
 369     }
 370 }
 371
 372 static void lincs_update_atoms(struct gmx_lincsdata *li, int th,
 373                                real prefac,
 374                                const real *fac, rvec *r,
 375                                const real *invmass,
 376                                rvec *x)
 377 {
 378     if (li->ntask == 1)
 379     {
 380         /* Single thread, we simply update for all constraints */
 381         lincs_update_atoms_noind(li->nc_real,
 382                                  li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 383     }
 384     else
 385     {
 386         /* Update the atom vector components for our thread local
 387          * constraints that only access our local atom range.
 388          * This can be done without a barrier.
 389          */
 390         lincs_update_atoms_ind(li->task[th].nind, li->task[th].ind,
 391                                li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 392
 393         if (li->task[li->ntask].nind > 0)
 394         {
 395             /* Update the constraints that operate on atoms
 396              * in multiple thread atom blocks on the master thread.
 397              */
 398 #pragma omp barrier
 399 #pragma omp master
 400             {
 401                 lincs_update_atoms_ind(li->task[li->ntask].nind,
 402                                        li->task[li->ntask].ind,
 403                                        li->bla, prefac, fac, r, invmass, x);
 404             }
 405         }
 406     }
 407 }
 408
 409 #ifdef LINCS_SIMD
 410 /* Calculate distances between indexed atom coordinate pairs
 411  * and store the result in 3 SIMD registers through an aligned buffer.
 412  * Start from index is and load GMX_SIMD_REAL_WIDTH elements.
 413  * Note that pair_index must contain valid indices up to is+GMX_SIMD_REAL_WIDTH.
 414  */
 415 static gmx_inline void gmx_simdcall
 416 rvec_dist_to_simd(const rvec      *x,
 417                   int              is,
 418                   const int       *pair_index,
 419                   real            *buf,
 420                   gmx_simd_real_t *dx,
 421                   gmx_simd_real_t *dy,
 422                   gmx_simd_real_t *dz)
 423 {
 424     int s, m;
 425
 426     for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
 427     {
 428         /* Store the non PBC corrected distances packed and aligned */
 429         for (m = 0; m < DIM; m++)
 430         {
 431             buf[m*GMX_SIMD_REAL_WIDTH + s] =
 432                 x[pair_index[2*(is+s)]][m] - x[pair_index[2*(is+s) + 1]][m];
 433         }
 434     }
 435     *dx = gmx_simd_load_r(buf + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 436     *dy = gmx_simd_load_r(buf + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 437     *dz = gmx_simd_load_r(buf + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 438 }
 439
 440 /* Store a SIMD vector in GMX_SIMD_REAL_WIDTH rvecs through an aligned buffer */
 441 static gmx_inline void gmx_simdcall
 442 copy_simd_vec_to_rvec(gmx_simd_real_t  x,
 443                       gmx_simd_real_t  y,
 444                       gmx_simd_real_t  z,
 445                       real            *buf,
 446                       rvec            *v,
 447                       int              is)
 448 {
 449     int s, m;
 450
 451     gmx_simd_store_r(buf + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, x);
 452     gmx_simd_store_r(buf + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, y);
 453     gmx_simd_store_r(buf + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, z);
 454
 455     for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
 456     {
 457         for (m = 0; m < DIM; m++)
 458         {
 459             v[is + s][m] = buf[m*GMX_SIMD_REAL_WIDTH + s];
 460         }
 461     }
 462 }
 463
 464 /* Calculate the constraint distance vectors r to project on from x.
 465  * Determine the right-hand side of the matrix equation using quantity f.
 466  * This function only differs from calc_dr_x_xp_simd below in that
 467  * no constraint length is subtracted and no PBC is used for f.
 468  */
 469 static void gmx_simdcall
 470 calc_dr_x_f_simd(int                       b0,
 471                  int                       b1,
 472                  const int *               bla,
 473                  const rvec * gmx_restrict x,
 474                  const rvec * gmx_restrict f,
 475                  const real * gmx_restrict blc,
 476                  const pbc_simd_t *        pbc_simd,
 477                  real * gmx_restrict       vbuf1,
 478                  real * gmx_restrict       vbuf2,
 479                  rvec * gmx_restrict       r,
 480                  real * gmx_restrict       rhs,
 481                  real * gmx_restrict       sol)
 482 {
 483     int bs;
 484
 485     assert(b0 % GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 0);
 486
 487     for (bs = b0; bs < b1; bs += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 488     {
 489         gmx_simd_real_t rx_S, ry_S, rz_S, n2_S, il_S;
 490         gmx_simd_real_t fx_S, fy_S, fz_S, ip_S, rhs_S;
 491
 492         rvec_dist_to_simd(x, bs, bla, vbuf1, &rx_S, &ry_S, &rz_S);
 493
 494         pbc_correct_dx_simd(&rx_S, &ry_S, &rz_S, pbc_simd);
 495
 496         n2_S  = gmx_simd_norm2_r(rx_S, ry_S, rz_S);
 497         il_S  = gmx_simd_invsqrt_r(n2_S);
 498
 499         rx_S  = gmx_simd_mul_r(rx_S, il_S);
 500         ry_S  = gmx_simd_mul_r(ry_S, il_S);
 501         rz_S  = gmx_simd_mul_r(rz_S, il_S);
 502
 503         copy_simd_vec_to_rvec(rx_S, ry_S, rz_S, vbuf1, r, bs);
 504
 505         rvec_dist_to_simd(f, bs, bla, vbuf2, &fx_S, &fy_S, &fz_S);
 506
 507         ip_S  = gmx_simd_iprod_r(rx_S, ry_S, rz_S,
 508                                  fx_S, fy_S, fz_S);
 509
 510         rhs_S = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_load_r(blc + bs), ip_S);
 511
 512         gmx_simd_store_r(rhs + bs, rhs_S);
 513         gmx_simd_store_r(sol + bs, rhs_S);
 514     }
 515 }
 516 #endif /* LINCS_SIMD */
 517
 518 /* LINCS projection, works on derivatives of the coordinates */
 519 static void do_lincsp(rvec *x, rvec *f, rvec *fp, t_pbc *pbc,
 520                       struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 521                       real *invmass,
 522                       int econq, gmx_bool bCalcDHDL,
 523                       gmx_bool bCalcVir, tensor rmdf)
 524 {
 525     int      b0, b1, b;
 526     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 527     rvec    *r;
 528     real    *blc, *blmf, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol;
 529
 530     b0 = lincsd->task[th].b0;
 531     b1 = lincsd->task[th].b1;
 532
 533     bla    = lincsd->bla;
 534     r      = lincsd->tmpv;
 535     blnr   = lincsd->blnr;
 536     blbnb  = lincsd->blbnb;
 537     if (econq != econqForce)
 538     {
 539         /* Use mass-weighted parameters */
 540         blc  = lincsd->blc;
 541         blmf = lincsd->blmf;
 542     }
 543     else
 544     {
 545         /* Use non mass-weighted parameters */
 546         blc  = lincsd->blc1;
 547         blmf = lincsd->blmf1;
 548     }
 549     blcc   = lincsd->tmpncc;
 550     rhs1   = lincsd->tmp1;
 551     rhs2   = lincsd->tmp2;
 552     sol    = lincsd->tmp3;
 553
 554 #ifdef LINCS_SIMD
 555
 556     /* This SIMD code does the same as the plain-C code after the #else.
 557      * The only difference is that we always call pbc code, as with SIMD
 558      * the overhead of pbc computation (when not needed) is small.
 559      */
 560     pbc_simd_t pbc_simd;
 561
 562     /* Convert the pbc struct for SIMD */
 563     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
 564
 565     /* Compute normalized x i-j vectors, store in r.
 566      * Compute the inner product of r and xp i-j and store in rhs1.
 567      */
 568     calc_dr_x_f_simd(b0, b1, bla, x, f, blc,
 569                      &pbc_simd,
 570                      lincsd->task[th].simd_buf,
 571                      lincsd->task[th].simd_buf + GMX_SIMD_REAL_WIDTH*DIM,
 572                      r, rhs1, sol);
 573
 574 #else /* LINCS_SIMD */
 575
 576     /* Compute normalized i-j vectors */
 577     if (pbc)
 578     {
 579         for (b = b0; b < b1; b++)
 580         {
 581             rvec dx;
 582
 583             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 584             unitv(dx, r[b]);
 585         }
 586     }
 587     else
 588     {
 589         for (b = b0; b < b1; b++)
 590         {
 591             rvec dx;
 592
 593             rvec_sub(x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 594             unitv(dx, r[b]);
 595         } /* 16 ncons flops */
 596     }
 597
 598     for (b = b0; b < b1; b++)
 599     {
 600         int  i, j;
 601         real mvb;
 602
 603         i       = bla[2*b];
 604         j       = bla[2*b+1];
 605         mvb     = blc[b]*(r[b][0]*(f[i][0] - f[j][0]) +
 606                           r[b][1]*(f[i][1] - f[j][1]) +
 607                           r[b][2]*(f[i][2] - f[j][2]));
 608         rhs1[b] = mvb;
 609         sol[b]  = mvb;
 610         /* 7 flops */
 611     }
 612
 613 #endif /* LINCS_SIMD */
 614
 615     if (lincsd->bTaskDep)
 616     {
 617         /* We need a barrier, since the matrix construction below
 618          * can access entries in r of other threads.
 619          */
 620 #pragma omp barrier
 621     }
 622
 623     /* Construct the (sparse) LINCS matrix */
 624     for (b = b0; b < b1; b++)
 625     {
 626         int n;
 627
 628         for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 629         {
 630             blcc[n] = blmf[n]*iprod(r[b], r[blbnb[n]]);
 631         } /* 6 nr flops */
 632     }
 633     /* Together: 23*ncons + 6*nrtot flops */
 634
 635     lincs_matrix_expand(lincsd, &lincsd->task[th], blcc, rhs1, rhs2, sol);
 636     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
 637
 638     if (econq == econqDeriv_FlexCon)
 639     {
 640         /* We only want to constraint the flexible constraints,
 641          * so we mask out the normal ones by setting sol to 0.
 642          */
 643         for (b = b0; b < b1; b++)
 644         {
 645             if (!(lincsd->bllen0[b] == 0 && lincsd->ddist[b] == 0))
 646             {
 647                 sol[b] = 0;
 648             }
 649         }
 650     }
 651
 652     /* We multiply sol by blc, so we can use lincs_update_atoms for OpenMP */
 653     for (b = b0; b < b1; b++)
 654     {
 655         sol[b] *= blc[b];
 656     }
 657
 658     /* When constraining forces, we should not use mass weighting,
 659      * so we pass invmass=NULL, which results in the use of 1 for all atoms.
 660      */
 661     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, sol, r,
 662                        (econq != econqForce) ? invmass : NULL, fp);
 663
 664     if (bCalcDHDL)
 665     {
 666         real dhdlambda;
 667
 668         dhdlambda = 0;
 669         for (b = b0; b < b1; b++)
 670         {
 671             dhdlambda -= sol[b]*lincsd->ddist[b];
 672         }
 673
 674         lincsd->task[th].dhdlambda = dhdlambda;
 675     }
 676
 677     if (bCalcVir)
 678     {
 679         /* Constraint virial,
 680          * determines sum r_bond x delta f,
 681          * where delta f is the constraint correction
 682          * of the quantity that is being constrained.
 683          */
 684         for (b = b0; b < b1; b++)
 685         {
 686             real mvb, tmp1;
 687             int  i, j;
 688
 689             mvb = lincsd->bllen[b]*sol[b];
 690             for (i = 0; i < DIM; i++)
 691             {
 692                 tmp1 = mvb*r[b][i];
 693                 for (j = 0; j < DIM; j++)
 694                 {
 695                     rmdf[i][j] += tmp1*r[b][j];
 696                 }
 697             }
 698         } /* 23 ncons flops */
 699     }
 700 }
 701
 702 #ifdef LINCS_SIMD
 703 /* Calculate the constraint distance vectors r to project on from x.
 704  * Determine the right-hand side of the matrix equation using coordinates xp.
 705  */
 706 static void gmx_simdcall
 707 calc_dr_x_xp_simd(int                       b0,
 708                   int                       b1,
 709                   const int *               bla,
 710                   const rvec * gmx_restrict x,
 711                   const rvec * gmx_restrict xp,
 712                   const real * gmx_restrict bllen,
 713                   const real * gmx_restrict blc,
 714                   const pbc_simd_t *        pbc_simd,
 715                   real * gmx_restrict       vbuf1,
 716                   real * gmx_restrict       vbuf2,
 717                   rvec * gmx_restrict       r,
 718                   real * gmx_restrict       rhs,
 719                   real * gmx_restrict       sol)
 720 {
 721     int bs;
 722
 723     assert(b0 % GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 0);
 724
 725     for (bs = b0; bs < b1; bs += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 726     {
 727         gmx_simd_real_t rx_S, ry_S, rz_S, n2_S, il_S;
 728         gmx_simd_real_t rxp_S, ryp_S, rzp_S, ip_S, rhs_S;
 729
 730         rvec_dist_to_simd(x, bs, bla, vbuf1, &rx_S, &ry_S, &rz_S);
 731
 732         pbc_correct_dx_simd(&rx_S, &ry_S, &rz_S, pbc_simd);
 733
 734         n2_S  = gmx_simd_norm2_r(rx_S, ry_S, rz_S);
 735         il_S  = gmx_simd_invsqrt_r(n2_S);
 736
 737         rx_S  = gmx_simd_mul_r(rx_S, il_S);
 738         ry_S  = gmx_simd_mul_r(ry_S, il_S);
 739         rz_S  = gmx_simd_mul_r(rz_S, il_S);
 740
 741         copy_simd_vec_to_rvec(rx_S, ry_S, rz_S, vbuf1, r, bs);
 742
 743         rvec_dist_to_simd(xp, bs, bla, vbuf2, &rxp_S, &ryp_S, &rzp_S);
 744
 745         pbc_correct_dx_simd(&rxp_S, &ryp_S, &rzp_S, pbc_simd);
 746
 747         ip_S  = gmx_simd_iprod_r(rx_S, ry_S, rz_S,
 748                                  rxp_S, ryp_S, rzp_S);
 749
 750         rhs_S = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_load_r(blc + bs),
 751                                gmx_simd_sub_r(ip_S, gmx_simd_load_r(bllen + bs)));
 752
 753         gmx_simd_store_r(rhs + bs, rhs_S);
 754         gmx_simd_store_r(sol + bs, rhs_S);
 755     }
 756 }
 757 #endif /* LINCS_SIMD */
 758
 759 /* Determine the distances and right-hand side for the next iteration */
 760 static void calc_dist_iter(int                       b0,
 761                            int                       b1,
 762                            const int *               bla,
 763                            const rvec * gmx_restrict xp,
 764                            const real * gmx_restrict bllen,
 765                            const real * gmx_restrict blc,
 766                            const t_pbc *             pbc,
 767                            real                      wfac,
 768                            real * gmx_restrict       rhs,
 769                            real * gmx_restrict       sol,
 770                            gmx_bool *                bWarn)
 771 {
 772     int b;
 773
 774     for (b = b0; b < b1; b++)
 775     {
 776         real len, len2, dlen2, mvb;
 777         rvec dx;
 778
 779         len = bllen[b];
 780         if (pbc)
 781         {
 782             pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 783         }
 784         else
 785         {
 786             rvec_sub(xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 787         }
 788         len2  = len*len;
 789         dlen2 = 2*len2 - norm2(dx);
 790         if (dlen2 < wfac*len2)
 791         {
 792             /* not race free - see detailed comment in caller */
 793             *bWarn = TRUE;
 794         }
 795         if (dlen2 > 0)
 796         {
 797             mvb = blc[b]*(len - dlen2*gmx_invsqrt(dlen2));
 798         }
 799         else
 800         {
 801             mvb = blc[b]*len;
 802         }
 803         rhs[b]  = mvb;
 804         sol[b]  = mvb;
 805     } /* 20*ncons flops */
 806 }
 807
 808 #ifdef LINCS_SIMD
 809 /* As the function above, but using SIMD intrinsics */
 810 static void gmx_simdcall
 811 calc_dist_iter_simd(int                       b0,
 812                     int                       b1,
 813                     const int *               bla,
 814                     const rvec * gmx_restrict x,
 815                     const real * gmx_restrict bllen,
 816                     const real * gmx_restrict blc,
 817                     const pbc_simd_t *        pbc_simd,
 818                     real                      wfac,
 819                     real * gmx_restrict       vbuf,
 820                     real * gmx_restrict       rhs,
 821                     real * gmx_restrict       sol,
 822                     gmx_bool *                bWarn)
 823 {
 824     gmx_simd_real_t min_S  = gmx_simd_set1_r(GMX_REAL_MIN);
 825     gmx_simd_real_t two_S  = gmx_simd_set1_r(2.0);
 826     gmx_simd_real_t wfac_S = gmx_simd_set1_r(wfac);
 827     gmx_simd_bool_t warn_S;
 828
 829     int             bs;
 830
 831     assert(b0 % GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 0);
 832
 833     /* Initialize all to FALSE */
 834     warn_S = gmx_simd_cmplt_r(two_S, gmx_simd_setzero_r());
 835
 836     for (bs = b0; bs < b1; bs += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 837     {
 838         gmx_simd_real_t rx_S, ry_S, rz_S, n2_S;
 839         gmx_simd_real_t len_S, len2_S, dlen2_S, lc_S, blc_S;
 840
 841         rvec_dist_to_simd(x, bs, bla, vbuf, &rx_S, &ry_S, &rz_S);
 842
 843         pbc_correct_dx_simd(&rx_S, &ry_S, &rz_S, pbc_simd);
 844
 845         n2_S    = gmx_simd_norm2_r(rx_S, ry_S, rz_S);
 846
 847         len_S   = gmx_simd_load_r(bllen + bs);
 848         len2_S  = gmx_simd_mul_r(len_S, len_S);
 849
 850         dlen2_S = gmx_simd_fmsub_r(two_S, len2_S, n2_S);
 851
 852         warn_S  = gmx_simd_or_b(warn_S,
 853                                 gmx_simd_cmplt_r(dlen2_S,
 854                                                  gmx_simd_mul_r(wfac_S, len2_S)));
 855
 856         /* Avoid 1/0 by taking the max with REAL_MIN.
 857          * Note: when dlen2 is close to zero (90 degree constraint rotation),
 858          * the accuracy of the algorithm is no longer relevant.
 859          */
 860         dlen2_S = gmx_simd_max_r(dlen2_S, min_S);
 861
 862         lc_S    = gmx_simd_fnmadd_r(dlen2_S, gmx_simd_invsqrt_r(dlen2_S), len_S);
 863
 864         blc_S   = gmx_simd_load_r(blc + bs);
 865
 866         lc_S    = gmx_simd_mul_r(blc_S, lc_S);
 867
 868         gmx_simd_store_r(rhs + bs, lc_S);
 869         gmx_simd_store_r(sol + bs, lc_S);
 870     }
 871
 872     if (gmx_simd_anytrue_b(warn_S))
 873     {
 874         *bWarn = TRUE;
 875     }
 876 }
 877 #endif /* LINCS_SIMD */
 878
 879 static void do_lincs(rvec *x, rvec *xp, matrix box, t_pbc *pbc,
 880                      struct gmx_lincsdata *lincsd, int th,
 881                      const real *invmass,
 882                      t_commrec *cr,
 883                      gmx_bool bCalcDHDL,
 884                      real wangle, gmx_bool *bWarn,
 885                      real invdt, rvec * gmx_restrict v,
 886                      gmx_bool bCalcVir, tensor vir_r_m_dr)
 887 {
 888     int      b0, b1, b, i, j, n, iter;
 889     int     *bla, *blnr, *blbnb;
 890     rvec    *r;
 891     real    *blc, *blmf, *bllen, *blcc, *rhs1, *rhs2, *sol, *blc_sol, *mlambda;
 892     int     *nlocat;
 893
 894     b0 = lincsd->task[th].b0;
 895     b1 = lincsd->task[th].b1;
 896
 897     bla     = lincsd->bla;
 898     r       = lincsd->tmpv;
 899     blnr    = lincsd->blnr;
 900     blbnb   = lincsd->blbnb;
 901     blc     = lincsd->blc;
 902     blmf    = lincsd->blmf;
 903     bllen   = lincsd->bllen;
 904     blcc    = lincsd->tmpncc;
 905     rhs1    = lincsd->tmp1;
 906     rhs2    = lincsd->tmp2;
 907     sol     = lincsd->tmp3;
 908     blc_sol = lincsd->tmp4;
 909     mlambda = lincsd->mlambda;
 910     nlocat  = lincsd->nlocat;
 911
 912 #ifdef LINCS_SIMD
 913
 914     /* This SIMD code does the same as the plain-C code after the #else.
 915      * The only difference is that we always call pbc code, as with SIMD
 916      * the overhead of pbc computation (when not needed) is small.
 917      */
 918     pbc_simd_t pbc_simd;
 919
 920     /* Convert the pbc struct for SIMD */
 921     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
 922
 923     /* Compute normalized x i-j vectors, store in r.
 924      * Compute the inner product of r and xp i-j and store in rhs1.
 925      */
 926     calc_dr_x_xp_simd(b0, b1, bla, x, xp, bllen, blc,
 927                       &pbc_simd,
 928                       lincsd->task[th].simd_buf,
 929                       lincsd->task[th].simd_buf + GMX_SIMD_REAL_WIDTH*DIM,
 930                       r, rhs1, sol);
 931
 932 #else /* LINCS_SIMD */
 933
 934     if (pbc)
 935     {
 936         /* Compute normalized i-j vectors */
 937         for (b = b0; b < b1; b++)
 938         {
 939             rvec dx;
 940             real mvb;
 941
 942             pbc_dx_aiuc(pbc, x[bla[2*b]], x[bla[2*b+1]], dx);
 943             unitv(dx, r[b]);
 944
 945             pbc_dx_aiuc(pbc, xp[bla[2*b]], xp[bla[2*b+1]], dx);
 946             mvb     = blc[b]*(iprod(r[b], dx) - bllen[b]);
 947             rhs1[b] = mvb;
 948             sol[b]  = mvb;
 949         }
 950     }
 951     else
 952     {
 953         /* Compute normalized i-j vectors */
 954         for (b = b0; b < b1; b++)
 955         {
 956             real tmp0, tmp1, tmp2, rlen, mvb;
 957
 958             i       = bla[2*b];
 959             j       = bla[2*b+1];
 960             tmp0    = x[i][0] - x[j][0];
 961             tmp1    = x[i][1] - x[j][1];
 962             tmp2    = x[i][2] - x[j][2];
 963             rlen    = gmx_invsqrt(tmp0*tmp0 + tmp1*tmp1 + tmp2*tmp2);
 964             r[b][0] = rlen*tmp0;
 965             r[b][1] = rlen*tmp1;
 966             r[b][2] = rlen*tmp2;
 967             /* 16 ncons flops */
 968
 969             i       = bla[2*b];
 970             j       = bla[2*b+1];
 971             mvb     = blc[b]*(r[b][0]*(xp[i][0] - xp[j][0]) +
 972                               r[b][1]*(xp[i][1] - xp[j][1]) +
 973                               r[b][2]*(xp[i][2] - xp[j][2]) - bllen[b]);
 974             rhs1[b] = mvb;
 975             sol[b]  = mvb;
 976             /* 10 flops */
 977         }
 978         /* Together: 26*ncons + 6*nrtot flops */
 979     }
 980
 981 #endif /* LINCS_SIMD */
 982
 983     if (lincsd->bTaskDep)
 984     {
 985         /* We need a barrier, since the matrix construction below
 986          * can access entries in r of other threads.
 987          */
 988 #pragma omp barrier
 989     }
 990
 991     /* Construct the (sparse) LINCS matrix */
 992     for (b = b0; b < b1; b++)
 993     {
 994         for (n = blnr[b]; n < blnr[b+1]; n++)
 995         {
 996             blcc[n] = blmf[n]*iprod(r[b], r[blbnb[n]]);
 997         }
 998     }
 999     /* Together: 26*ncons + 6*nrtot flops */
1000
1001     lincs_matrix_expand(lincsd, &lincsd->task[th], blcc, rhs1, rhs2, sol);
1002     /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
1003
1004 #ifndef LINCS_SIMD
1005     for (b = b0; b < b1; b++)
1006     {
1007         mlambda[b] = blc[b]*sol[b];
1008     }
1009 #else
1010     for (b = b0; b < b1; b += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1011     {
1012         gmx_simd_store_r(mlambda + b,
1013                          gmx_simd_mul_r(gmx_simd_load_r(blc + b),
1014                                         gmx_simd_load_r(sol + b)));
1015     }
1016 #endif
1017
1018     /* Update the coordinates */
1019     lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, mlambda, r, invmass, xp);
1020
1021     /*
1022      ********  Correction for centripetal effects  ********
1023      */
1024
1025     real wfac;
1026
1027     wfac = cos(DEG2RAD*wangle);
1028     wfac = wfac*wfac;
1029
1030     for (iter = 0; iter < lincsd->nIter; iter++)
1031     {
1032         if ((lincsd->bCommIter && DOMAINDECOMP(cr) && cr->dd->constraints))
1033         {
1034 #pragma omp barrier
1035 #pragma omp master
1036             {
1037                 /* Communicate the corrected non-local coordinates */
1038                 if (DOMAINDECOMP(cr))
1039                 {
1040                     dd_move_x_constraints(cr->dd, box, xp, NULL, FALSE);
1041                 }
1042             }
1043 #pragma omp barrier
1044         }
1045         else if (lincsd->bTaskDep)
1046         {
1047 #pragma omp barrier
1048         }
1049
1050 #ifdef LINCS_SIMD
1051         calc_dist_iter_simd(b0, b1, bla, xp, bllen, blc, &pbc_simd, wfac,
1052                             lincsd->task[th].simd_buf, rhs1, sol, bWarn);
1053 #else
1054         calc_dist_iter(b0, b1, bla, xp, bllen, blc, pbc, wfac,
1055                        rhs1, sol, bWarn);
1056         /* 20*ncons flops */
1057 #endif
1058
1059         lincs_matrix_expand(lincsd, &lincsd->task[th], blcc, rhs1, rhs2, sol);
1060         /* nrec*(ncons+2*nrtot) flops */
1061
1062 #ifndef LINCS_SIMD
1063         for (b = b0; b < b1; b++)
1064         {
1065             real mvb;
1066
1067             mvb         = blc[b]*sol[b];
1068             blc_sol[b]  = mvb;
1069             mlambda[b] += mvb;
1070         }
1071 #else
1072         for (b = b0; b < b1; b += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1073         {
1074             gmx_simd_real_t mvb;
1075
1076             mvb = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_load_r(blc + b),
1077                                  gmx_simd_load_r(sol + b));
1078             gmx_simd_store_r(blc_sol + b, mvb);
1079             gmx_simd_store_r(mlambda + b,
1080                              gmx_simd_add_r(gmx_simd_load_r(mlambda + b), mvb));
1081         }
1082 #endif
1083
1084         /* Update the coordinates */
1085         lincs_update_atoms(lincsd, th, 1.0, blc_sol, r, invmass, xp);
1086     }
1087     /* nit*ncons*(37+9*nrec) flops */
1088
1089     if (v != NULL)
1090     {
1091         /* Update the velocities */
1092         lincs_update_atoms(lincsd, th, invdt, mlambda, r, invmass, v);
1093         /* 16 ncons flops */
1094     }
1095
1096     if (nlocat != NULL && (bCalcDHDL || bCalcVir))
1097     {
1098         if (lincsd->bTaskDep)
1099         {
1100             /* In lincs_update_atoms threads might cross-read mlambda */
1101 #pragma omp barrier
1102         }
1103
1104         /* Only account for local atoms */
1105         for (b = b0; b < b1; b++)
1106         {
1107             mlambda[b] *= 0.5*nlocat[b];
1108         }
1109     }
1110
1111     if (bCalcDHDL)
1112     {
1113         real dhdl;
1114
1115         dhdl = 0;
1116         for (b = b0; b < b1; b++)
1117         {
1118             /* Note that this this is dhdl*dt^2, the dt^2 factor is corrected
1119              * later after the contributions are reduced over the threads.
1120              */
1121             dhdl -= lincsd->mlambda[b]*lincsd->ddist[b];
1122         }
1123         lincsd->task[th].dhdlambda = dhdl;
1124     }
1125
1126     if (bCalcVir)
1127     {
1128         /* Constraint virial */
1129         for (b = b0; b < b1; b++)
1130         {
1131             real tmp0, tmp1;
1132
1133             tmp0 = -bllen[b]*mlambda[b];
1134             for (i = 0; i < DIM; i++)
1135             {
1136                 tmp1 = tmp0*r[b][i];
1137                 for (j = 0; j < DIM; j++)
1138                 {
1139                     vir_r_m_dr[i][j] -= tmp1*r[b][j];
1140                 }
1141             }
1142         } /* 22 ncons flops */
1143     }
1144
1145     /* Total:
1146      * 26*ncons + 6*nrtot + nrec*(ncons+2*nrtot)
1147      * + nit * (20*ncons + nrec*(ncons+2*nrtot) + 17 ncons)
1148      *
1149      * (26+nrec)*ncons + (6+2*nrec)*nrtot
1150      * + nit * ((37+nrec)*ncons + 2*nrec*nrtot)
1151      * if nit=1
1152      * (63+nrec)*ncons + (6+4*nrec)*nrtot
1153      */
1154 }
1155
1156 /* Sets the elements in the LINCS matrix for task li_task */
1157 static void set_lincs_matrix_task(struct gmx_lincsdata *li,
1158                                   lincs_task_t         *li_task,
1159                                   const real           *invmass,
1160                                   int                  *ncc_triangle)
1161 {
1162     int        i;
1163
1164     /* Construct the coupling coefficient matrix blmf */
1165     li_task->ntriangle = 0;
1166     *ncc_triangle      = 0;
1167     for (i = li_task->b0; i < li_task->b1; i++)
1168     {
1169         int a1, a2, n;
1170
1171         a1 = li->bla[2*i];
1172         a2 = li->bla[2*i+1];
1173         for (n = li->blnr[i]; (n < li->blnr[i+1]); n++)
1174         {
1175             int k, sign, center, end;
1176
1177             k = li->blbnb[n];
1178
1179             /* If we are using multiple, independent tasks for LINCS,
1180              * the calls to check_assign_connected should have
1181              * put all connected constraints in our task.
1182              */
1183             assert(li->bTaskDep || (k >= li_task->b0 && k < li_task->b1));
1184
1185             if (a1 == li->bla[2*k] || a2 == li->bla[2*k+1])
1186             {
1187                 sign = -1;
1188             }
1189             else
1190             {
1191                 sign = 1;
1192             }
1193             if (a1 == li->bla[2*k] || a1 == li->bla[2*k+1])
1194             {
1195                 center = a1;
1196                 end    = a2;
1197             }
1198             else
1199             {
1200                 center = a2;
1201                 end    = a1;
1202             }
1203             li->blmf[n]  = sign*invmass[center]*li->blc[i]*li->blc[k];
1204             li->blmf1[n] = sign*0.5;
1205             if (li->ncg_triangle > 0)
1206             {
1207                 int nk, kk;
1208
1209                 /* Look for constraint triangles */
1210                 for (nk = li->blnr[k]; (nk < li->blnr[k+1]); nk++)
1211                 {
1212                     kk = li->blbnb[nk];
1213                     if (kk != i && kk != k &&
1214                         (li->bla[2*kk] == end || li->bla[2*kk+1] == end))
1215                     {
1216                         /* If we are using multiple tasks for LINCS,
1217                          * the calls to check_assign_triangle should have
1218                          * put all constraints in the triangle in our task.
1219                          */
1220                         assert(k  >= li_task->b0 && k  < li_task->b1);
1221                         assert(kk >= li_task->b0 && kk < li_task->b1);
1222
1223                         if (li_task->ntriangle == 0 ||
1224                             li_task->triangle[li_task->ntriangle - 1] < i)
1225                         {
1226                             /* Add this constraint to the triangle list */
1227                             li_task->triangle[li_task->ntriangle] = i;
1228                             li_task->tri_bits[li_task->ntriangle] = 0;
1229                             li_task->ntriangle++;
1230                             if (li->blnr[i+1] - li->blnr[i] > static_cast<int>(sizeof(li_task->tri_bits[0])*8 - 1))
1231                             {
1232                                 gmx_fatal(FARGS, "A constraint is connected to %d constraints, this is more than the %d allowed for constraints participating in triangles",
1233                                           li->blnr[i+1] - li->blnr[i],
1234                                           sizeof(li_task->tri_bits[0])*8-1);
1235                             }
1236                         }
1237                         li_task->tri_bits[li_task->ntriangle-1] |= (1 << (n - li->blnr[i]));
1238                         (*ncc_triangle)++;
1239                     }
1240                 }
1241             }
1242         }
1243     }
1244 }
1245
1246 /* Sets the elements in the LINCS matrix */
1247 void set_lincs_matrix(struct gmx_lincsdata *li, real *invmass, real lambda)
1248 {
1249     int        i;
1250     const real invsqrt2 = 0.7071067811865475244;
1251
1252     for (i = 0; (i < li->nc); i++)
1253     {
1254         int a1, a2;
1255
1256         a1          = li->bla[2*i];
1257         a2          = li->bla[2*i+1];
1258         li->blc[i]  = gmx_invsqrt(invmass[a1] + invmass[a2]);
1259         li->blc1[i] = invsqrt2;
1260     }
1261
1262     /* Construct the coupling coefficient matrix blmf */
1263     int th, ntriangle = 0, ncc_triangle = 0;
1264 #pragma omp parallel for reduction(+: ntriangle, ncc_triangle) num_threads(li->ntask) schedule(static)
1265     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1266     {
1267         set_lincs_matrix_task(li, &li->task[th], invmass, &ncc_triangle);
1268         ntriangle = li->task[th].ntriangle;
1269     }
1270     li->ntriangle    = ntriangle;
1271     li->ncc_triangle = ncc_triangle;
1272
1273     if (debug)
1274     {
1275         fprintf(debug, "Of the %d constraints %d participate in triangles\n",
1276                 li->nc, li->ntriangle);
1277         fprintf(debug, "There are %d couplings of which %d in triangles\n",
1278                 li->ncc, li->ncc_triangle);
1279     }
1280
1281     /* Set matlam,
1282      * so we know with which lambda value the masses have been set.
1283      */
1284     li->matlam = lambda;
1285 }
1286
1287 static int count_triangle_constraints(t_ilist *ilist, t_blocka *at2con)
1288 {
1289     int      ncon1, ncon_tot;
1290     int      c0, a00, a01, n1, c1, a10, a11, ac1, n2, c2, a20, a21;
1291     int      ncon_triangle;
1292     gmx_bool bTriangle;
1293     t_iatom *ia1, *ia2, *iap;
1294
1295     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
1296     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
1297
1298     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
1299     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
1300
1301     ncon_triangle = 0;
1302     for (c0 = 0; c0 < ncon_tot; c0++)
1303     {
1304         bTriangle = FALSE;
1305         iap       = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c0);
1306         a00       = iap[1];
1307         a01       = iap[2];
1308         for (n1 = at2con->index[a01]; n1 < at2con->index[a01+1]; n1++)
1309         {
1310             c1 = at2con->a[n1];
1311             if (c1 != c0)
1312             {
1313                 iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c1);
1314                 a10 = iap[1];
1315                 a11 = iap[2];
1316                 if (a10 == a01)
1317                 {
1318                     ac1 = a11;
1319                 }
1320                 else
1321                 {
1322                     ac1 = a10;
1323                 }
1324                 for (n2 = at2con->index[ac1]; n2 < at2con->index[ac1+1]; n2++)
1325                 {
1326                     c2 = at2con->a[n2];
1327                     if (c2 != c0 && c2 != c1)
1328                     {
1329                         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c2);
1330                         a20 = iap[1];
1331                         a21 = iap[2];
1332                         if (a20 == a00 || a21 == a00)
1333                         {
1334                             bTriangle = TRUE;
1335                         }
1336                     }
1337                 }
1338             }
1339         }
1340         if (bTriangle)
1341         {
1342             ncon_triangle++;
1343         }
1344     }
1345
1346     return ncon_triangle;
1347 }
1348
1349 static gmx_bool more_than_two_sequential_constraints(const t_ilist  *ilist,
1350                                                      const t_blocka *at2con)
1351 {
1352     t_iatom  *ia1, *ia2, *iap;
1353     int       ncon1, ncon_tot, c;
1354     int       a1, a2;
1355     gmx_bool  bMoreThanTwoSequentialConstraints;
1356
1357     ncon1    = ilist[F_CONSTR].nr/3;
1358     ncon_tot = ncon1 + ilist[F_CONSTRNC].nr/3;
1359
1360     ia1 = ilist[F_CONSTR].iatoms;
1361     ia2 = ilist[F_CONSTRNC].iatoms;
1362
1363     bMoreThanTwoSequentialConstraints = FALSE;
1364     for (c = 0; c < ncon_tot && !bMoreThanTwoSequentialConstraints; c++)
1365     {
1366         iap = constr_iatomptr(ncon1, ia1, ia2, c);
1367         a1  = iap[1];
1368         a2  = iap[2];
1369         /* Check if this constraint has constraints connected at both atoms */
1370         if (at2con->index[a1+1] - at2con->index[a1] > 1 &&
1371             at2con->index[a2+1] - at2con->index[a2] > 1)
1372         {
1373             bMoreThanTwoSequentialConstraints = TRUE;
1374         }
1375     }
1376
1377     return bMoreThanTwoSequentialConstraints;
1378 }
1379
1380 static int int_comp(const void *a, const void *b)
1381 {
1382     return (*(int *)a) - (*(int *)b);
1383 }
1384
1385 gmx_lincsdata_t init_lincs(FILE *fplog, gmx_mtop_t *mtop,
1386                            int nflexcon_global, t_blocka *at2con,
1387                            gmx_bool bPLINCS, int nIter, int nProjOrder)
1388 {
1389     struct gmx_lincsdata *li;
1390     int                   mt, mb;
1391     gmx_moltype_t        *molt;
1392     gmx_bool              bMoreThanTwoSeq;
1393
1394     if (fplog)
1395     {
1396         fprintf(fplog, "\nInitializing%s LINear Constraint Solver\n",
1397                 bPLINCS ? " Parallel" : "");
1398     }
1399
1400     snew(li, 1);
1401
1402     li->ncg      =
1403         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) +
1404         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC);
1405     li->ncg_flex = nflexcon_global;
1406
1407     li->nIter  = nIter;
1408     li->nOrder = nProjOrder;
1409
1410     li->max_connect = 0;
1411     for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1412     {
1413         int a;
1414
1415         molt = &mtop->moltype[mt];
1416         for (a = 0; a < molt->atoms.nr; a++)
1417         {
1418             li->max_connect = std::max(li->max_connect,
1419                                        at2con[mt].index[a + 1] - at2con[mt].index[a]);
1420         }
1421     }
1422
1423     li->ncg_triangle = 0;
1424     bMoreThanTwoSeq  = FALSE;
1425     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1426     {
1427         molt              = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
1428
1429         li->ncg_triangle +=
1430             mtop->molblock[mb].nmol*
1431             count_triangle_constraints(molt->ilist,
1432                                        &at2con[mtop->molblock[mb].type]);
1433
1434         if (!bMoreThanTwoSeq &&
1435             more_than_two_sequential_constraints(molt->ilist, &at2con[mtop->molblock[mb].type]))
1436         {
1437             bMoreThanTwoSeq = TRUE;
1438         }
1439     }
1440
1441     /* Check if we need to communicate not only before LINCS,
1442      * but also before each iteration.
1443      * The check for only two sequential constraints is only
1444      * useful for the common case of H-bond only constraints.
1445      * With more effort we could also make it useful for small
1446      * molecules with nr. sequential constraints <= nOrder-1.
1447      */
1448     li->bCommIter = (bPLINCS && (li->nOrder < 1 || bMoreThanTwoSeq));
1449
1450     if (debug && bPLINCS)
1451     {
1452         fprintf(debug, "PLINCS communication before each iteration: %d\n",
1453                 li->bCommIter);
1454     }
1455
1456     /* LINCS can run on any number of threads.
1457      * Currently the number is fixed for the whole simulation,
1458      * but it could be set in set_lincs().
1459      * The current constraint to task assignment code can create independent
1460      * tasks only when not more than two constraints are connected sequentially.
1461      */
1462     li->ntask    = gmx_omp_nthreads_get(emntLINCS);
1463     li->bTaskDep = (li->ntask > 1 && bMoreThanTwoSeq);
1464     if (debug)
1465     {
1466         fprintf(debug, "LINCS: using %d threads, tasks are %sdependent\n",
1467                 li->ntask, li->bTaskDep ? "" : "in");
1468     }
1469     if (li->ntask == 1)
1470     {
1471         snew(li->task, 1);
1472     }
1473     else
1474     {
1475         /* Allocate an extra elements for "task-overlap" constraints */
1476         snew(li->task, li->ntask + 1);
1477     }
1478     int th;
1479 #pragma omp parallel for num_threads(li->ntask)
1480     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1481     {
1482         /* Per thread SIMD load buffer for loading 2 simd_width rvecs */
1483         snew_aligned(li->task[th].simd_buf, 2*simd_width*DIM,
1484                      align_bytes);
1485     }
1486
1487     if (bPLINCS || li->ncg_triangle > 0)
1488     {
1489         please_cite(fplog, "Hess2008a");
1490     }
1491     else
1492     {
1493         please_cite(fplog, "Hess97a");
1494     }
1495
1496     if (fplog)
1497     {
1498         fprintf(fplog, "The number of constraints is %d\n", li->ncg);
1499         if (bPLINCS)
1500         {
1501             fprintf(fplog, "There are inter charge-group constraints,\n"
1502                     "will communicate selected coordinates each lincs iteration\n");
1503         }
1504         if (li->ncg_triangle > 0)
1505         {
1506             fprintf(fplog,
1507                     "%d constraints are involved in constraint triangles,\n"
1508                     "will apply an additional matrix expansion of order %d for couplings\n"
1509                     "between constraints inside triangles\n",
1510                     li->ncg_triangle, li->nOrder);
1511         }
1512     }
1513
1514     return li;
1515 }
1516
1517 /* Sets up the work division over the threads */
1518 static void lincs_thread_setup(struct gmx_lincsdata *li, int natoms)
1519 {
1520     lincs_task_t   *li_m;
1521     int             th;
1522     gmx_bitmask_t  *atf;
1523     int             a;
1524
1525     if (natoms > li->atf_nalloc)
1526     {
1527         li->atf_nalloc = over_alloc_large(natoms);
1528         srenew(li->atf, li->atf_nalloc);
1529     }
1530
1531     atf = li->atf;
1532     /* Clear the atom flags */
1533     for (a = 0; a < natoms; a++)
1534     {
1535         bitmask_clear(&atf[a]);
1536     }
1537
1538     if (li->ntask > BITMASK_SIZE)
1539     {
1540         gmx_fatal(FARGS, "More than %d threads is not supported for LINCS.", BITMASK_SIZE);
1541     }
1542
1543     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1544     {
1545         lincs_task_t *li_task;
1546         int           b;
1547
1548         li_task = &li->task[th];
1549
1550         /* For each atom set a flag for constraints from each */
1551         for (b = li_task->b0; b < li_task->b1; b++)
1552         {
1553             bitmask_set_bit(&atf[li->bla[b*2    ]], th);
1554             bitmask_set_bit(&atf[li->bla[b*2 + 1]], th);
1555         }
1556     }
1557
1558 #pragma omp parallel for num_threads(li->ntask) schedule(static)
1559     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1560     {
1561         lincs_task_t  *li_task;
1562         gmx_bitmask_t  mask;
1563         int            b;
1564
1565         li_task = &li->task[th];
1566
1567         if (li_task->b1 - li_task->b0 > li_task->ind_nalloc)
1568         {
1569             li_task->ind_nalloc = over_alloc_large(li_task->b1-li_task->b0);
1570             srenew(li_task->ind, li_task->ind_nalloc);
1571             srenew(li_task->ind_r, li_task->ind_nalloc);
1572         }
1573
1574         bitmask_init_low_bits(&mask, th);
1575
1576         li_task->nind   = 0;
1577         li_task->nind_r = 0;
1578         for (b = li_task->b0; b < li_task->b1; b++)
1579         {
1580             /* We let the constraint with the lowest thread index
1581              * operate on atoms with constraints from multiple threads.
1582              */
1583             if (bitmask_is_disjoint(atf[li->bla[b*2]], mask) &&
1584                 bitmask_is_disjoint(atf[li->bla[b*2+1]], mask))
1585             {
1586                 /* Add the constraint to the local atom update index */
1587                 li_task->ind[li_task->nind++] = b;
1588             }
1589             else
1590             {
1591                 /* Add the constraint to the rest block */
1592                 li_task->ind_r[li_task->nind_r++] = b;
1593             }
1594         }
1595     }
1596
1597     /* We need to copy all constraints which have not be assigned
1598      * to a thread to a separate list which will be handled by one thread.
1599      */
1600     li_m = &li->task[li->ntask];
1601
1602     li_m->nind = 0;
1603     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1604     {
1605         lincs_task_t *li_task;
1606         int           b;
1607
1608         li_task   = &li->task[th];
1609
1610         if (li_m->nind + li_task->nind_r > li_m->ind_nalloc)
1611         {
1612             li_m->ind_nalloc = over_alloc_large(li_m->nind+li_task->nind_r);
1613             srenew(li_m->ind, li_m->ind_nalloc);
1614         }
1615
1616         for (b = 0; b < li_task->nind_r; b++)
1617         {
1618             li_m->ind[li_m->nind++] = li_task->ind_r[b];
1619         }
1620
1621         if (debug)
1622         {
1623             fprintf(debug, "LINCS thread %d: %d constraints\n",
1624                     th, li_task->nind);
1625         }
1626     }
1627
1628     if (debug)
1629     {
1630         fprintf(debug, "LINCS thread r: %d constraints\n",
1631                 li_m->nind);
1632     }
1633 }
1634
1635 /* There is no realloc with alignment, so here we make one for reals.
1636  * Note that this function does not preserve the contents of the memory.
1637  */
1638 static void resize_real_aligned(real **ptr, int nelem)
1639 {
1640     sfree_aligned(*ptr);
1641     snew_aligned(*ptr, nelem, align_bytes);
1642 }
1643
1644 static void assign_constraint(struct gmx_lincsdata *li,
1645                               int constraint_index,
1646                               int a1, int a2,
1647                               real lenA, real lenB,
1648                               const t_blocka *at2con)
1649 {
1650     int con;
1651
1652     con = li->nc;
1653
1654     /* Make an mapping of local topology constraint index to LINCS index */
1655     li->con_index[constraint_index] = con;
1656
1657     li->bllen0[con]  = lenA;
1658     li->ddist[con]   = lenB - lenA;
1659     /* Set the length to the topology A length */
1660     li->bllen[con]   = lenA;
1661     li->bla[2*con]   = a1;
1662     li->bla[2*con+1] = a2;
1663
1664     /* Make space in the constraint connection matrix for constraints
1665      * connected to both end of the current constraint.
1666      */
1667     li->ncc +=
1668         at2con->index[a1 + 1] - at2con->index[a1] - 1 +
1669         at2con->index[a2 + 1] - at2con->index[a2] - 1;
1670
1671     li->blnr[con + 1] = li->ncc;
1672
1673     /* Increase the constraint count */
1674     li->nc++;
1675 }
1676
1677 /* Check if constraint with topology index constraint_index is connected
1678  * to other constraints, and if so add those connected constraints to our task.
1679  */
1680 static void check_assign_connected(struct gmx_lincsdata *li,
1681                                    const t_iatom *iatom,
1682                                    const t_idef *idef,
1683                                    int bDynamics,
1684                                    int a1, int a2,
1685                                    const t_blocka *at2con)
1686 {
1687     /* Currently this function only supports constraint groups
1688      * in which all constraints share at least one atom
1689      * (e.g. H-bond constraints).
1690      * Check both ends of the current constraint for
1691      * connected constraints. We need to assign those
1692      * to the same task.
1693      */
1694     int end;
1695
1696     for (end = 0; end < 2; end++)
1697     {
1698         int a, k;
1699
1700         a = (end == 0 ? a1 : a2);
1701
1702         for (k = at2con->index[a]; k < at2con->index[a + 1]; k++)
1703         {
1704             int cc;
1705
1706             cc = at2con->a[k];
1707             /* Check if constraint cc has not yet been assigned */
1708             if (li->con_index[cc] == -1)
1709             {
1710                 int  type;
1711                 real lenA, lenB;
1712
1713                 type = iatom[cc*3];
1714                 lenA = idef->iparams[type].constr.dA;
1715                 lenB = idef->iparams[type].constr.dB;
1716
1717                 if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
1718                 {
1719                     assign_constraint(li, cc, iatom[3*cc + 1], iatom[3*cc + 2], lenA, lenB, at2con);
1720                 }
1721             }
1722         }
1723     }
1724 }
1725
1726 /* Check if constraint with topology index constraint_index is involved
1727  * in a constraint triangle, and if so add the other two constraints
1728  * in the triangle to our task.
1729  */
1730 static void check_assign_triangle(struct gmx_lincsdata *li,
1731                                   const t_iatom *iatom,
1732                                   const t_idef *idef,
1733                                   int bDynamics,
1734                                   int constraint_index,
1735                                   int a1, int a2,
1736                                   const t_blocka *at2con)
1737 {
1738     int nca, cc[32], ca[32], k;
1739     int c_triangle[2] = { -1, -1 };
1740
1741     nca = 0;
1742     for (k = at2con->index[a1]; k < at2con->index[a1 + 1]; k++)
1743     {
1744         int c;
1745
1746         c = at2con->a[k];
1747         if (c != constraint_index)
1748         {
1749             int aa1, aa2;
1750
1751             aa1 = iatom[c*3 + 1];
1752             aa2 = iatom[c*3 + 2];
1753             if (aa1 != a1)
1754             {
1755                 cc[nca] = c;
1756                 ca[nca] = aa1;
1757                 nca++;
1758             }
1759             if (aa2 != a1)
1760             {
1761                 cc[nca] = c;
1762                 ca[nca] = aa2;
1763                 nca++;
1764             }
1765         }
1766     }
1767
1768     for (k = at2con->index[a2]; k < at2con->index[a2 + 1]; k++)
1769     {
1770         int c;
1771
1772         c = at2con->a[k];
1773         if (c != constraint_index)
1774         {
1775             int aa1, aa2, i;
1776
1777             aa1 = iatom[c*3 + 1];
1778             aa2 = iatom[c*3 + 2];
1779             if (aa1 != a2)
1780             {
1781                 for (i = 0; i < nca; i++)
1782                 {
1783                     if (aa1 == ca[i])
1784                     {
1785                         c_triangle[0] = cc[i];
1786                         c_triangle[1] = c;
1787                     }
1788                 }
1789             }
1790             if (aa2 != a2)
1791             {
1792                 for (i = 0; i < nca; i++)
1793                 {
1794                     if (aa2 == ca[i])
1795                     {
1796                         c_triangle[0] = cc[i];
1797                         c_triangle[1] = c;
1798                     }
1799                 }
1800             }
1801         }
1802     }
1803
1804     if (c_triangle[0] >= 0)
1805     {
1806         int end;
1807
1808         for (end = 0; end < 2; end++)
1809         {
1810             /* Check if constraint c_triangle[end] has not yet been assigned */
1811             if (li->con_index[c_triangle[end]] == -1)
1812             {
1813                 int  i, type;
1814                 real lenA, lenB;
1815
1816                 i    = c_triangle[end]*3;
1817                 type = iatom[i];
1818                 lenA = idef->iparams[type].constr.dA;
1819                 lenB = idef->iparams[type].constr.dB;
1820
1821                 if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
1822                 {
1823                     assign_constraint(li, c_triangle[end], iatom[i + 1], iatom[i + 2], lenA, lenB, at2con);
1824                 }
1825             }
1826         }
1827     }
1828 }
1829
1830 static void set_matrix_indices(struct gmx_lincsdata *li,
1831                                const lincs_task_t   *li_task,
1832                                const t_blocka       *at2con,
1833                                gmx_bool              bSortMatrix)
1834 {
1835     int b;
1836
1837     for (b = li_task->b0; b < li_task->b1; b++)
1838     {
1839         int a1, a2, i, k;
1840
1841         a1 = li->bla[b*2];
1842         a2 = li->bla[b*2 + 1];
1843
1844         i = li->blnr[b];
1845         for (k = at2con->index[a1]; k < at2con->index[a1 + 1]; k++)
1846         {
1847             int concon;
1848
1849             concon = li->con_index[at2con->a[k]];
1850             if (concon != b)
1851             {
1852                 li->blbnb[i++] = concon;
1853             }
1854         }
1855         for (k = at2con->index[a2]; k < at2con->index[a2 + 1]; k++)
1856         {
1857             int concon;
1858
1859             concon = li->con_index[at2con->a[k]];
1860             if (concon != b)
1861             {
1862                 li->blbnb[i++] = concon;
1863             }
1864         }
1865
1866         if (bSortMatrix)
1867         {
1868             /* Order the blbnb matrix to optimize memory access */
1869             qsort(&(li->blbnb[li->blnr[b]]), li->blnr[b + 1] - li->blnr[b],
1870                   sizeof(li->blbnb[0]), int_comp);
1871         }
1872     }
1873 }
1874
1875 void set_lincs(t_idef *idef, t_mdatoms *md,
1876                gmx_bool bDynamics, t_commrec *cr,
1877                struct gmx_lincsdata *li)
1878 {
1879     int          natoms, nflexcon;
1880     t_blocka     at2con;
1881     t_iatom     *iatom;
1882     int          i, ncc_alloc_old, ncon_tot;
1883
1884     li->nc_real = 0;
1885     li->nc      = 0;
1886     li->ncc     = 0;
1887     /* Zero the thread index ranges.
1888      * Otherwise without local constraints we could return with old ranges.
1889      */
1890     for (i = 0; i < li->ntask; i++)
1891     {
1892         li->task[i].b0   = 0;
1893         li->task[i].b1   = 0;
1894         li->task[i].nind = 0;
1895     }
1896     if (li->ntask > 1)
1897     {
1898         li->task[li->ntask].nind = 0;
1899     }
1900
1901     /* This is the local topology, so there are only F_CONSTR constraints */
1902     if (idef->il[F_CONSTR].nr == 0)
1903     {
1904         /* There are no constraints,
1905          * we do not need to fill any data structures.
1906          */
1907         return;
1908     }
1909
1910     if (debug)
1911     {
1912         fprintf(debug, "Building the LINCS connectivity\n");
1913     }
1914
1915     if (DOMAINDECOMP(cr))
1916     {
1917         if (cr->dd->constraints)
1918         {
1919             int start;
1920
1921             dd_get_constraint_range(cr->dd, &start, &natoms);
1922         }
1923         else
1924         {
1925             natoms = cr->dd->nat_home;
1926         }
1927     }
1928     else
1929     {
1930         natoms = md->homenr;
1931     }
1932     at2con = make_at2con(0, natoms, idef->il, idef->iparams, bDynamics,
1933                          &nflexcon);
1934
1935     ncon_tot = idef->il[F_CONSTR].nr/3;
1936
1937     /* Ensure we have enough padding for aligned loads for each thread */
1938     if (ncon_tot + li->ntask*simd_width > li->nc_alloc || li->nc_alloc == 0)
1939     {
1940         li->nc_alloc = over_alloc_dd(ncon_tot + li->ntask*simd_width);
1941         srenew(li->con_index, li->nc_alloc);
1942         resize_real_aligned(&li->bllen0, li->nc_alloc);
1943         resize_real_aligned(&li->ddist, li->nc_alloc);
1944         srenew(li->bla, 2*li->nc_alloc);
1945         resize_real_aligned(&li->blc, li->nc_alloc);
1946         resize_real_aligned(&li->blc1, li->nc_alloc);
1947         srenew(li->blnr, li->nc_alloc + 1);
1948         resize_real_aligned(&li->bllen, li->nc_alloc);
1949         srenew(li->tmpv, li->nc_alloc);
1950         if (DOMAINDECOMP(cr))
1951         {
1952             srenew(li->nlocat, li->nc_alloc);
1953         }
1954         resize_real_aligned(&li->tmp1, li->nc_alloc);
1955         resize_real_aligned(&li->tmp2, li->nc_alloc);
1956         resize_real_aligned(&li->tmp3, li->nc_alloc);
1957         resize_real_aligned(&li->tmp4, li->nc_alloc);
1958         resize_real_aligned(&li->mlambda, li->nc_alloc);
1959     }
1960
1961     iatom = idef->il[F_CONSTR].iatoms;
1962
1963     ncc_alloc_old = li->ncc_alloc;
1964     li->blnr[0]   = li->ncc;
1965
1966     /* Assign the constraints for li->ntask LINCS tasks.
1967      * We target a uniform distribution of constraints over the tasks.
1968      * Note that when flexible constraints are present, but are removed here
1969      * (e.g. because we are doing EM) we get imbalance, but since that doesn't
1970      * happen during normal MD, that's ok.
1971      */
1972     int ncon_assign, ncon_target, con, th;
1973
1974     /* Determine the number of constraints we need to assign here */
1975     ncon_assign      = ncon_tot;
1976     if (!bDynamics)
1977     {
1978         /* With energy minimization, flexible constraints are ignored
1979          * (and thus minimized, as they should be).
1980          */
1981         ncon_assign -= nflexcon;
1982     }
1983
1984     /* Set the target constraint count per task to exactly uniform,
1985      * this might be overridden below.
1986      */
1987     ncon_target = (ncon_assign + li->ntask - 1)/li->ntask;
1988
1989     /* Mark all constraints as unassigned by setting their index to -1 */
1990     for (con = 0; con < ncon_tot; con++)
1991     {
1992         li->con_index[con] = -1;
1993     }
1994
1995     con = 0;
1996     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
1997     {
1998         lincs_task_t *li_task;
1999
2000         li_task = &li->task[th];
2001
2002 #ifdef LINCS_SIMD
2003         /* With indepedent tasks we likely have H-bond constraints or constraint
2004          * pairs. The connected constraints will be pulled into the task, so the
2005          * constraints per task will often exceed ncon_target.
2006          * Triangle constraints can also increase the count, but there are
2007          * relatively few of those, so we usually expect to get ncon_target.
2008          */
2009         if (li->bTaskDep)
2010         {
2011             /* We round ncon_target to a multiple of GMX_SIMD_WIDTH,
2012              * since otherwise a lot of operations can be wasted.
2013              * There are several ways to round here, we choose the one
2014              * that alternates block sizes, which helps with Intel HT.
2015              */
2016             ncon_target = ((ncon_assign*(th + 1))/li->ntask - li->nc_real + GMX_SIMD_REAL_WIDTH - 1) & ~(GMX_SIMD_REAL_WIDTH - 1);
2017         }
2018 #endif
2019
2020         /* Continue filling the arrays where we left off with the previous task,
2021          * including padding for SIMD.
2022          */
2023         li_task->b0 = li->nc;
2024
2025         while (con < ncon_tot && li->nc - li_task->b0 < ncon_target)
2026         {
2027             if (li->con_index[con] == -1)
2028             {
2029                 int  type, a1, a2;
2030                 real lenA, lenB;
2031
2032                 type   = iatom[3*con];
2033                 a1     = iatom[3*con + 1];
2034                 a2     = iatom[3*con + 2];
2035                 lenA   = idef->iparams[type].constr.dA;
2036                 lenB   = idef->iparams[type].constr.dB;
2037                 /* Skip the flexible constraints when not doing dynamics */
2038                 if (bDynamics || lenA != 0 || lenB != 0)
2039                 {
2040                     assign_constraint(li, con, a1, a2, lenA, lenB, &at2con);
2041
2042                     if (li->ntask > 1 && !li->bTaskDep)
2043                     {
2044                         /* We can generate independent tasks. Check if we
2045                          * need to assign connected constraints to our task.
2046                          */
2047                         check_assign_connected(li, iatom, idef, bDynamics,
2048                                                a1, a2, &at2con);
2049                     }
2050                     if (li->ntask > 1 && li->ncg_triangle > 0)
2051                     {
2052                         /* Ensure constraints in one triangle are assigned
2053                          * to the same task.
2054                          */
2055                         check_assign_triangle(li, iatom, idef, bDynamics,
2056                                               con, a1, a2, &at2con);
2057                     }
2058                 }
2059             }
2060
2061             con++;
2062         }
2063
2064         li_task->b1 = li->nc;
2065
2066         if (simd_width > 1)
2067         {
2068             /* Copy the last atom pair indices and lengths for constraints
2069              * up to a multiple of simd_width, such that we can do all
2070              * SIMD operations without having to worry about end effects.
2071              */
2072             int i, last;
2073
2074             li->nc = ((li_task->b1 + simd_width - 1)/simd_width)*simd_width;
2075             last   = li_task->b1 - 1;
2076             for (i = li_task->b1; i < li->nc; i++)
2077             {
2078                 li->bla[i*2    ] = li->bla[last*2    ];
2079                 li->bla[i*2 + 1] = li->bla[last*2 + 1];
2080                 li->bllen0[i]    = li->bllen0[last];
2081                 li->ddist[i]     = li->ddist[last];
2082                 li->bllen[i]     = li->bllen[last];
2083                 li->blnr[i + 1]  = li->blnr[last + 1];
2084             }
2085         }
2086
2087         /* Keep track of how many constraints we assigned */
2088         li->nc_real += li_task->b1 - li_task->b0;
2089
2090         if (debug)
2091         {
2092             fprintf(debug, "LINCS task %d constraints %d - %d\n",
2093                     th, li_task->b0, li_task->b1);
2094         }
2095     }
2096
2097     assert(li->nc_real == ncon_assign);
2098
2099     gmx_bool bSortMatrix;
2100
2101     /* Without DD we order the blbnb matrix to optimize memory access.
2102      * With DD the overhead of sorting is more than the gain during access.
2103      */
2104     bSortMatrix = !DOMAINDECOMP(cr);
2105
2106     if (li->ncc > li->ncc_alloc)
2107     {
2108         li->ncc_alloc = over_alloc_small(li->ncc);
2109         srenew(li->blbnb, li->ncc_alloc);
2110     }
2111
2112 #pragma omp parallel for num_threads(li->ntask) schedule(static)
2113     for (th = 0; th < li->ntask; th++)
2114     {
2115         lincs_task_t *li_task;
2116
2117         li_task = &li->task[th];
2118
2119         if (li->ncg_triangle > 0 &&
2120             li_task->b1 - li_task->b0 > li_task->tri_alloc)
2121         {
2122             /* This is allocating too much, but it is difficult to improve */
2123             li_task->tri_alloc = over_alloc_dd(li_task->b1 - li_task->b0);
2124             srenew(li_task->triangle, li_task->tri_alloc);
2125             srenew(li_task->tri_bits, li_task->tri_alloc);
2126         }
2127
2128         set_matrix_indices(li, li_task, &at2con, bSortMatrix);
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 (!gmx_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   = fabs(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             if (ir->eI == eiSD2 && v == NULL)
2336             {
2337                 i = 2;
2338             }
2339             else
2340             {
2341                 i = 1;
2342             }
2343             lincsd->rmsd_data[i] = 0;
2344         }
2345
2346         return bOK;
2347     }
2348
2349     if (econq == econqCoord)
2350     {
2351         /* We can't use bCalcDHDL here, since NULL can be passed for dvdlambda
2352          * also with efep!=fepNO.
2353          */
2354         if (ir->efep != efepNO)
2355         {
2356             if (md->nMassPerturbed && lincsd->matlam != md->lambda)
2357             {
2358                 set_lincs_matrix(lincsd, md->invmass, md->lambda);
2359             }
2360
2361             for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
2362             {
2363                 lincsd->bllen[i] = lincsd->bllen0[i] + lambda*lincsd->ddist[i];
2364             }
2365         }
2366
2367         if (lincsd->ncg_flex)
2368         {
2369             /* Set the flexible constraint lengths to the old lengths */
2370             if (pbc != NULL)
2371             {
2372                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
2373                 {
2374                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
2375                     {
2376                         pbc_dx_aiuc(pbc, x[lincsd->bla[2*i]], x[lincsd->bla[2*i+1]], dx);
2377                         lincsd->bllen[i] = norm(dx);
2378                     }
2379                 }
2380             }
2381             else
2382             {
2383                 for (i = 0; i < lincsd->nc; i++)
2384                 {
2385                     if (lincsd->bllen[i] == 0)
2386                     {
2387                         lincsd->bllen[i] =
2388                             sqrt(distance2(x[lincsd->bla[2*i]],
2389                                            x[lincsd->bla[2*i+1]]));
2390                     }
2391                 }
2392             }
2393         }
2394
2395         if (bLog && fplog)
2396         {
2397             cconerr(lincsd, xprime, pbc,
2398                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
2399         }
2400
2401         /* This bWarn var can be updated by multiple threads
2402          * at the same time. But as we only need to detect
2403          * if a warning occured or not, this is not an issue.
2404          */
2405         bWarn = FALSE;
2406
2407         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for coords */
2408 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->ntask)
2409         {
2410             int th = gmx_omp_get_thread_num();
2411
2412             clear_mat(lincsd->task[th].vir_r_m_dr);
2413
2414             do_lincs(x, xprime, box, pbc, lincsd, th,
2415                      md->invmass, cr,
2416                      bCalcDHDL,
2417                      ir->LincsWarnAngle, &bWarn,
2418                      invdt, v, bCalcVir,
2419                      th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->task[th].vir_r_m_dr);
2420         }
2421
2422         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
2423         {
2424             fprintf(fplog, "   Rel. Constraint Deviation:  RMS         MAX     between atoms\n");
2425             fprintf(fplog, "       Before LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n",
2426                     sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
2427                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
2428                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
2429         }
2430         if (bLog || bEner)
2431         {
2432             cconerr(lincsd, xprime, pbc,
2433                     &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
2434             /* Check if we are doing the second part of SD */
2435             if (ir->eI == eiSD2 && v == NULL)
2436             {
2437                 i = 2;
2438             }
2439             else
2440             {
2441                 i = 1;
2442             }
2443             lincsd->rmsd_data[0] = ncons_loc;
2444             lincsd->rmsd_data[i] = p_ssd;
2445         }
2446         else
2447         {
2448             lincsd->rmsd_data[0] = 0;
2449             lincsd->rmsd_data[1] = 0;
2450             lincsd->rmsd_data[2] = 0;
2451         }
2452         if (bLog && fplog && lincsd->nc > 0)
2453         {
2454             fprintf(fplog,
2455                     "        After LINCS          %.6f    %.6f %6d %6d\n\n",
2456                     sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
2457                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
2458                     ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
2459         }
2460
2461         if (bWarn)
2462         {
2463             if (maxwarn >= 0)
2464             {
2465                 cconerr(lincsd, xprime, pbc,
2466                         &ncons_loc, &p_ssd, &p_max, &p_imax);
2467                 if (MULTISIM(cr))
2468                 {
2469                     sprintf(buf3, " in simulation %d", cr->ms->sim);
2470                 }
2471                 else
2472                 {
2473                     buf3[0] = 0;
2474                 }
2475                 sprintf(buf, "\nStep %s, time %g (ps)  LINCS WARNING%s\n"
2476                         "relative constraint deviation after LINCS:\n"
2477                         "rms %.6f, max %.6f (between atoms %d and %d)\n",
2478                         gmx_step_str(step, buf2), ir->init_t+step*ir->delta_t,
2479                         buf3,
2480                         sqrt(p_ssd/ncons_loc), p_max,
2481                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax]),
2482                         ddglatnr(cr->dd, lincsd->bla[2*p_imax+1]));
2483                 if (fplog)
2484                 {
2485                     fprintf(fplog, "%s", buf);
2486                 }
2487                 fprintf(stderr, "%s", buf);
2488                 lincs_warning(fplog, cr->dd, x, xprime, pbc,
2489                               lincsd->nc, lincsd->bla, lincsd->bllen,
2490                               ir->LincsWarnAngle, maxwarn, warncount);
2491             }
2492             bOK = (p_max < 0.5);
2493         }
2494
2495         if (lincsd->ncg_flex)
2496         {
2497             for (i = 0; (i < lincsd->nc); i++)
2498             {
2499                 if (lincsd->bllen0[i] == 0 && lincsd->ddist[i] == 0)
2500                 {
2501                     lincsd->bllen[i] = 0;
2502                 }
2503             }
2504         }
2505     }
2506     else
2507     {
2508         /* The OpenMP parallel region of constrain_lincs for derivatives */
2509 #pragma omp parallel num_threads(lincsd->ntask)
2510         {
2511             int th = gmx_omp_get_thread_num();
2512
2513             do_lincsp(x, xprime, min_proj, pbc, lincsd, th,
2514                       md->invmass, econq, bCalcDHDL,
2515                       bCalcVir, th == 0 ? vir_r_m_dr : lincsd->task[th].vir_r_m_dr);
2516         }
2517     }
2518
2519     if (bCalcDHDL)
2520     {
2521         /* Reduce the dH/dlambda contributions over the threads */
2522         real dhdlambda;
2523         int  th;
2524
2525         dhdlambda = 0;
2526         for (th = 0; th < lincsd->ntask; th++)
2527         {
2528             dhdlambda += lincsd->task[th].dhdlambda;
2529         }
2530         if (econqCoord)
2531         {
2532             /* dhdlambda contains dH/dlambda*dt^2, correct for this */
2533             /* TODO This should probably use invdt, so that sd integrator scaling works properly */
2534             dhdlambda /= ir->delta_t*ir->delta_t;
2535         }
2536         *dvdlambda += dhdlambda;
2537     }
2538
2539     if (bCalcVir && lincsd->ntask > 1)
2540     {
2541         for (i = 1; i < lincsd->ntask; i++)
2542         {
2543             m_add(vir_r_m_dr, lincsd->task[i].vir_r_m_dr, vir_r_m_dr);
2544         }
2545     }
2546
2547     /* count assuming nit=1 */
2548     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCS, lincsd->nc_real);
2549     inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, (2+lincsd->nOrder)*lincsd->ncc);
2550     if (lincsd->ntriangle > 0)
2551     {
2552         inc_nrnb(nrnb, eNR_LINCSMAT, lincsd->nOrder*lincsd->ncc_triangle);
2553     }
2554     if (v)
2555     {
2556         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_V, lincsd->nc_real*2);
2557     }
2558     if (bCalcVir)
2559     {
2560         inc_nrnb(nrnb, eNR_CONSTR_VIR, lincsd->nc_real);
2561     }
2562
2563     return bOK;
2564 }