src/gromacs/mdlib/forcerec.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 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "config.h"
  40
  41 #include <assert.h>
  42 #include <math.h>
  43 #include <stdlib.h>
  44 #include <string.h>
  45
  46 #include <algorithm>
  47
  48 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  49 #include "gromacs/ewald/ewald.h"
  50 #include "gromacs/gmxlib/gpu_utils/gpu_utils.h"
  51 #include "gromacs/legacyheaders/copyrite.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  53 #include "gromacs/legacyheaders/gmx_detect_hardware.h"
  54 #include "gromacs/legacyheaders/gmx_omp_nthreads.h"
  55 #include "gromacs/legacyheaders/inputrec.h"
  56 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  57 #include "gromacs/legacyheaders/md_logging.h"
  58 #include "gromacs/legacyheaders/md_support.h"
  59 #include "gromacs/legacyheaders/names.h"
  60 #include "gromacs/legacyheaders/network.h"
  61 #include "gromacs/legacyheaders/nonbonded.h"
  62 #include "gromacs/legacyheaders/ns.h"
  63 #include "gromacs/legacyheaders/qmmm.h"
  64 #include "gromacs/legacyheaders/tables.h"
  65 #include "gromacs/legacyheaders/txtdump.h"
  66 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  67 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  68 #include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
  69 #include "gromacs/math/calculate-ewald-splitting-coefficient.h"
  70 #include "gromacs/math/units.h"
  71 #include "gromacs/math/utilities.h"
  72 #include "gromacs/math/vec.h"
  73 #include "gromacs/mdlib/forcerec-threading.h"
  74 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
  75 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.h"
  76 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
  77 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
  78 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
  79 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  80 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  81 #include "gromacs/simd/simd.h"
  82 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  83 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  84 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  85
  86 #include "nbnxn_gpu_jit_support.h"
  87
  88 t_forcerec *mk_forcerec(void)
  89 {
  90     t_forcerec *fr;
  91
  92     snew(fr, 1);
  93
  94     return fr;
  95 }
  96
  97 #ifdef DEBUG
  98 static void pr_nbfp(FILE *fp, real *nbfp, gmx_bool bBHAM, int atnr)
  99 {
 100     int i, j;
 101
 102     for (i = 0; (i < atnr); i++)
 103     {
 104         for (j = 0; (j < atnr); j++)
 105         {
 106             fprintf(fp, "%2d - %2d", i, j);
 107             if (bBHAM)
 108             {
 109                 fprintf(fp, "  a=%10g, b=%10g, c=%10g\n", BHAMA(nbfp, atnr, i, j),
 110                         BHAMB(nbfp, atnr, i, j), BHAMC(nbfp, atnr, i, j)/6.0);
 111             }
 112             else
 113             {
 114                 fprintf(fp, "  c6=%10g, c12=%10g\n", C6(nbfp, atnr, i, j)/6.0,
 115                         C12(nbfp, atnr, i, j)/12.0);
 116             }
 117         }
 118     }
 119 }
 120 #endif
 121
 122 static real *mk_nbfp(const gmx_ffparams_t *idef, gmx_bool bBHAM)
 123 {
 124     real *nbfp;
 125     int   i, j, k, atnr;
 126
 127     atnr = idef->atnr;
 128     if (bBHAM)
 129     {
 130         snew(nbfp, 3*atnr*atnr);
 131         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 132         {
 133             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 134             {
 135                 BHAMA(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.a;
 136                 BHAMB(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.b;
 137                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
 138                 BHAMC(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.c*6.0;
 139             }
 140         }
 141     }
 142     else
 143     {
 144         snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 145         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 146         {
 147             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 148             {
 149                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
 150                 C6(nbfp, atnr, i, j)   = idef->iparams[k].lj.c6*6.0;
 151                 C12(nbfp, atnr, i, j)  = idef->iparams[k].lj.c12*12.0;
 152             }
 153         }
 154     }
 155
 156     return nbfp;
 157 }
 158
 159 static real *make_ljpme_c6grid(const gmx_ffparams_t *idef, t_forcerec *fr)
 160 {
 161     int        i, j, k, atnr;
 162     real       c6, c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 163     real      *grid;
 164     const real oneOverSix = 1.0 / 6.0;
 165
 166     /* For LJ-PME simulations, we correct the energies with the reciprocal space
 167      * inside of the cut-off. To do this the non-bonded kernels needs to have
 168      * access to the C6-values used on the reciprocal grid in pme.c
 169      */
 170
 171     atnr = idef->atnr;
 172     snew(grid, 2*atnr*atnr);
 173     for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 174     {
 175         for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 176         {
 177             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 178             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 179             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 180             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 181             c6   = sqrt(c6i * c6j);
 182             if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB
 183                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12i) && !gmx_numzero(c12j))
 184             {
 185                 sigmai = pow(c12i / c6i, oneOverSix);
 186                 sigmaj = pow(c12j / c6j, oneOverSix);
 187                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 188                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 189                 c6     = sqrt(epsi * epsj) * pow(0.5*(sigmai+sigmaj), 6);
 190             }
 191             /* Store the elements at the same relative positions as C6 in nbfp in order
 192              * to simplify access in the kernels
 193              */
 194             grid[2*(atnr*i+j)] = c6*6.0;
 195         }
 196     }
 197     return grid;
 198 }
 199
 200 static real *mk_nbfp_combination_rule(const gmx_ffparams_t *idef, int comb_rule)
 201 {
 202     real      *nbfp;
 203     int        i, j, atnr;
 204     real       c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 205     real       c6, c12;
 206     const real oneOverSix = 1.0 / 6.0;
 207
 208     atnr = idef->atnr;
 209     snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 210     for (i = 0; i < atnr; ++i)
 211     {
 212         for (j = 0; j < atnr; ++j)
 213         {
 214             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 215             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 216             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 217             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 218             c6   = sqrt(c6i  * c6j);
 219             c12  = sqrt(c12i * c12j);
 220             if (comb_rule == eCOMB_ARITHMETIC
 221                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12))
 222             {
 223                 sigmai = pow(c12i / c6i, oneOverSix);
 224                 sigmaj = pow(c12j / c6j, oneOverSix);
 225                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 226                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 227                 c6     = sqrt(epsi * epsj) * pow(0.5*(sigmai+sigmaj), 6);
 228                 c12    = sqrt(epsi * epsj) * pow(0.5*(sigmai+sigmaj), 12);
 229             }
 230             C6(nbfp, atnr, i, j)   = c6*6.0;
 231             C12(nbfp, atnr, i, j)  = c12*12.0;
 232         }
 233     }
 234     return nbfp;
 235 }
 236
 237 /* This routine sets fr->solvent_opt to the most common solvent in the
 238  * system, e.g. esolSPC or esolTIP4P. It will also mark each charge group in
 239  * the fr->solvent_type array with the correct type (or esolNO).
 240  *
 241  * Charge groups that fulfill the conditions but are not identical to the
 242  * most common one will be marked as esolNO in the solvent_type array.
 243  *
 244  * TIP3p is identical to SPC for these purposes, so we call it
 245  * SPC in the arrays (Apologies to Bill Jorgensen ;-)
 246  *
 247  * NOTE: QM particle should not
 248  * become an optimized solvent. Not even if there is only one charge
 249  * group in the Qm
 250  */
 251
 252 typedef struct
 253 {
 254     int    model;
 255     int    count;
 256     int    vdwtype[4];
 257     real   charge[4];
 258 } solvent_parameters_t;
 259
 260 static void
 261 check_solvent_cg(const gmx_moltype_t    *molt,
 262                  int                     cg0,
 263                  int                     nmol,
 264                  const unsigned char    *qm_grpnr,
 265                  const t_grps           *qm_grps,
 266                  t_forcerec   *          fr,
 267                  int                    *n_solvent_parameters,
 268                  solvent_parameters_t  **solvent_parameters_p,
 269                  int                     cginfo,
 270                  int                    *cg_sp)
 271 {
 272     t_atom               *atom;
 273     int                   j, k;
 274     int                   j0, j1, nj;
 275     gmx_bool              perturbed;
 276     gmx_bool              has_vdw[4];
 277     gmx_bool              match;
 278     real                  tmp_charge[4]  = { 0.0 }; /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 279     int                   tmp_vdwtype[4] = { 0 };   /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 280     int                   tjA;
 281     gmx_bool              qm;
 282     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 283
 284     /* We use a list with parameters for each solvent type.
 285      * Every time we discover a new molecule that fulfills the basic
 286      * conditions for a solvent we compare with the previous entries
 287      * in these lists. If the parameters are the same we just increment
 288      * the counter for that type, and otherwise we create a new type
 289      * based on the current molecule.
 290      *
 291      * Once we've finished going through all molecules we check which
 292      * solvent is most common, and mark all those molecules while we
 293      * clear the flag on all others.
 294      */
 295
 296     solvent_parameters = *solvent_parameters_p;
 297
 298     /* Mark the cg first as non optimized */
 299     *cg_sp = -1;
 300
 301     /* Check if this cg has no exclusions with atoms in other charge groups
 302      * and all atoms inside the charge group excluded.
 303      * We only have 3 or 4 atom solvent loops.
 304      */
 305     if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo) ||
 306         !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo))
 307     {
 308         return;
 309     }
 310
 311     /* Get the indices of the first atom in this charge group */
 312     j0     = molt->cgs.index[cg0];
 313     j1     = molt->cgs.index[cg0+1];
 314
 315     /* Number of atoms in our molecule */
 316     nj     = j1 - j0;
 317
 318     if (debug)
 319     {
 320         fprintf(debug,
 321                 "Moltype '%s': there are %d atoms in this charge group\n",
 322                 *molt->name, nj);
 323     }
 324
 325     /* Check if it could be an SPC (3 atoms) or TIP4p (4) water,
 326      * otherwise skip it.
 327      */
 328     if (nj < 3 || nj > 4)
 329     {
 330         return;
 331     }
 332
 333     /* Check if we are doing QM on this group */
 334     qm = FALSE;
 335     if (qm_grpnr != NULL)
 336     {
 337         for (j = j0; j < j1 && !qm; j++)
 338         {
 339             qm = (qm_grpnr[j] < qm_grps->nr - 1);
 340         }
 341     }
 342     /* Cannot use solvent optimization with QM */
 343     if (qm)
 344     {
 345         return;
 346     }
 347
 348     atom = molt->atoms.atom;
 349
 350     /* Still looks like a solvent, time to check parameters */
 351
 352     /* If it is perturbed (free energy) we can't use the solvent loops,
 353      * so then we just skip to the next molecule.
 354      */
 355     perturbed = FALSE;
 356
 357     for (j = j0; j < j1 && !perturbed; j++)
 358     {
 359         perturbed = PERTURBED(atom[j]);
 360     }
 361
 362     if (perturbed)
 363     {
 364         return;
 365     }
 366
 367     /* Now it's only a question if the VdW and charge parameters
 368      * are OK. Before doing the check we compare and see if they are
 369      * identical to a possible previous solvent type.
 370      * First we assign the current types and charges.
 371      */
 372     for (j = 0; j < nj; j++)
 373     {
 374         tmp_vdwtype[j] = atom[j0+j].type;
 375         tmp_charge[j]  = atom[j0+j].q;
 376     }
 377
 378     /* Does it match any previous solvent type? */
 379     for (k = 0; k < *n_solvent_parameters; k++)
 380     {
 381         match = TRUE;
 382
 383
 384         /* We can only match SPC with 3 atoms and TIP4p with 4 atoms */
 385         if ( (solvent_parameters[k].model == esolSPC   && nj != 3)  ||
 386              (solvent_parameters[k].model == esolTIP4P && nj != 4) )
 387         {
 388             match = FALSE;
 389         }
 390
 391         /* Check that types & charges match for all atoms in molecule */
 392         for (j = 0; j < nj && match == TRUE; j++)
 393         {
 394             if (tmp_vdwtype[j] != solvent_parameters[k].vdwtype[j])
 395             {
 396                 match = FALSE;
 397             }
 398             if (tmp_charge[j] != solvent_parameters[k].charge[j])
 399             {
 400                 match = FALSE;
 401             }
 402         }
 403         if (match == TRUE)
 404         {
 405             /* Congratulations! We have a matched solvent.
 406              * Flag it with this type for later processing.
 407              */
 408             *cg_sp = k;
 409             solvent_parameters[k].count += nmol;
 410
 411             /* We are done with this charge group */
 412             return;
 413         }
 414     }
 415
 416     /* If we get here, we have a tentative new solvent type.
 417      * Before we add it we must check that it fulfills the requirements
 418      * of the solvent optimized loops. First determine which atoms have
 419      * VdW interactions.
 420      */
 421     for (j = 0; j < nj; j++)
 422     {
 423         has_vdw[j] = FALSE;
 424         tjA        = tmp_vdwtype[j];
 425
 426         /* Go through all other tpes and see if any have non-zero
 427          * VdW parameters when combined with this one.
 428          */
 429         for (k = 0; k < fr->ntype && (has_vdw[j] == FALSE); k++)
 430         {
 431             /* We already checked that the atoms weren't perturbed,
 432              * so we only need to check state A now.
 433              */
 434             if (fr->bBHAM)
 435             {
 436                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 437                               (BHAMA(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 438                               (BHAMB(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 439                               (BHAMC(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 440             }
 441             else
 442             {
 443                 /* Standard LJ */
 444                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 445                               (C6(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k)  != 0.0) ||
 446                               (C12(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 447             }
 448         }
 449     }
 450
 451     /* Now we know all we need to make the final check and assignment. */
 452     if (nj == 3)
 453     {
 454         /* So, is it an SPC?
 455          * For this we require thatn all atoms have charge,
 456          * the charges on atom 2 & 3 should be the same, and only
 457          * atom 1 might have VdW.
 458          */
 459         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 460             has_vdw[2] == FALSE &&
 461             tmp_charge[0]  != 0 &&
 462             tmp_charge[1]  != 0 &&
 463             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1])
 464         {
 465             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 466             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolSPC;
 467             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 468             for (k = 0; k < 3; k++)
 469             {
 470                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 471                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 472             }
 473
 474             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 475             (*n_solvent_parameters)++;
 476         }
 477     }
 478     else if (nj == 4)
 479     {
 480         /* Or could it be a TIP4P?
 481          * For this we require thatn atoms 2,3,4 have charge, but not atom 1.
 482          * Only atom 1 mght have VdW.
 483          */
 484         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 485             has_vdw[2] == FALSE &&
 486             has_vdw[3] == FALSE &&
 487             tmp_charge[0]  == 0 &&
 488             tmp_charge[1]  != 0 &&
 489             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1] &&
 490             tmp_charge[3]  != 0)
 491         {
 492             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 493             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolTIP4P;
 494             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 495             for (k = 0; k < 4; k++)
 496             {
 497                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 498                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 499             }
 500
 501             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 502             (*n_solvent_parameters)++;
 503         }
 504     }
 505
 506     *solvent_parameters_p = solvent_parameters;
 507 }
 508
 509 static void
 510 check_solvent(FILE  *                fp,
 511               const gmx_mtop_t  *    mtop,
 512               t_forcerec  *          fr,
 513               cginfo_mb_t           *cginfo_mb)
 514 {
 515     const t_block     *   cgs;
 516     const gmx_moltype_t  *molt;
 517     int                   mb, mol, cg_mol, at_offset, am, cgm, i, nmol_ch, nmol;
 518     int                   n_solvent_parameters;
 519     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 520     int                 **cg_sp;
 521     int                   bestsp, bestsol;
 522
 523     if (debug)
 524     {
 525         fprintf(debug, "Going to determine what solvent types we have.\n");
 526     }
 527
 528     n_solvent_parameters = 0;
 529     solvent_parameters   = NULL;
 530     /* Allocate temporary array for solvent type */
 531     snew(cg_sp, mtop->nmolblock);
 532
 533     at_offset = 0;
 534     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 535     {
 536         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 537         cgs  = &molt->cgs;
 538         /* Here we have to loop over all individual molecules
 539          * because we need to check for QMMM particles.
 540          */
 541         snew(cg_sp[mb], cginfo_mb[mb].cg_mod);
 542         nmol_ch = cginfo_mb[mb].cg_mod/cgs->nr;
 543         nmol    = mtop->molblock[mb].nmol/nmol_ch;
 544         for (mol = 0; mol < nmol_ch; mol++)
 545         {
 546             cgm = mol*cgs->nr;
 547             am  = mol*cgs->index[cgs->nr];
 548             for (cg_mol = 0; cg_mol < cgs->nr; cg_mol++)
 549             {
 550                 check_solvent_cg(molt, cg_mol, nmol,
 551                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM] ?
 552                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM]+at_offset+am : 0,
 553                                  &mtop->groups.grps[egcQMMM],
 554                                  fr,
 555                                  &n_solvent_parameters, &solvent_parameters,
 556                                  cginfo_mb[mb].cginfo[cgm+cg_mol],
 557                                  &cg_sp[mb][cgm+cg_mol]);
 558             }
 559         }
 560         at_offset += cgs->index[cgs->nr];
 561     }
 562
 563     /* Puh! We finished going through all charge groups.
 564      * Now find the most common solvent model.
 565      */
 566
 567     /* Most common solvent this far */
 568     bestsp = -2;
 569     for (i = 0; i < n_solvent_parameters; i++)
 570     {
 571         if (bestsp == -2 ||
 572             solvent_parameters[i].count > solvent_parameters[bestsp].count)
 573         {
 574             bestsp = i;
 575         }
 576     }
 577
 578     if (bestsp >= 0)
 579     {
 580         bestsol = solvent_parameters[bestsp].model;
 581     }
 582     else
 583     {
 584         bestsol = esolNO;
 585     }
 586
 587     fr->nWatMol = 0;
 588     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 589     {
 590         cgs  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].cgs;
 591         nmol = (mtop->molblock[mb].nmol*cgs->nr)/cginfo_mb[mb].cg_mod;
 592         for (i = 0; i < cginfo_mb[mb].cg_mod; i++)
 593         {
 594             if (cg_sp[mb][i] == bestsp)
 595             {
 596                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], bestsol);
 597                 fr->nWatMol += nmol;
 598             }
 599             else
 600             {
 601                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], esolNO);
 602             }
 603         }
 604         sfree(cg_sp[mb]);
 605     }
 606     sfree(cg_sp);
 607
 608     if (bestsol != esolNO && fp != NULL)
 609     {
 610         fprintf(fp, "\nEnabling %s-like water optimization for %d molecules.\n\n",
 611                 esol_names[bestsol],
 612                 solvent_parameters[bestsp].count);
 613     }
 614
 615     sfree(solvent_parameters);
 616     fr->solvent_opt = bestsol;
 617 }
 618
 619 enum {
 620     acNONE = 0, acCONSTRAINT, acSETTLE
 621 };
 622
 623 static cginfo_mb_t *init_cginfo_mb(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 624                                    t_forcerec *fr, gmx_bool bNoSolvOpt,
 625                                    gmx_bool *bFEP_NonBonded,
 626                                    gmx_bool *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone)
 627 {
 628     const t_block        *cgs;
 629     const t_blocka       *excl;
 630     const gmx_moltype_t  *molt;
 631     const gmx_molblock_t *molb;
 632     cginfo_mb_t          *cginfo_mb;
 633     gmx_bool             *type_VDW;
 634     int                  *cginfo;
 635     int                   cg_offset, a_offset;
 636     int                   mb, m, cg, a0, a1, gid, ai, j, aj, excl_nalloc;
 637     int                  *a_con;
 638     int                   ftype;
 639     int                   ia;
 640     gmx_bool              bId, *bExcl, bExclIntraAll, bExclInter, bHaveVDW, bHaveQ, bHavePerturbedAtoms;
 641
 642     snew(cginfo_mb, mtop->nmolblock);
 643
 644     snew(type_VDW, fr->ntype);
 645     for (ai = 0; ai < fr->ntype; ai++)
 646     {
 647         type_VDW[ai] = FALSE;
 648         for (j = 0; j < fr->ntype; j++)
 649         {
 650             type_VDW[ai] = type_VDW[ai] ||
 651                 fr->bBHAM ||
 652                 C6(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0 ||
 653                 C12(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0;
 654         }
 655     }
 656
 657     *bFEP_NonBonded               = FALSE;
 658     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = TRUE;
 659
 660     excl_nalloc = 10;
 661     snew(bExcl, excl_nalloc);
 662     cg_offset = 0;
 663     a_offset  = 0;
 664     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 665     {
 666         molb = &mtop->molblock[mb];
 667         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 668         cgs  = &molt->cgs;
 669         excl = &molt->excls;
 670
 671         /* Check if the cginfo is identical for all molecules in this block.
 672          * If so, we only need an array of the size of one molecule.
 673          * Otherwise we make an array of #mol times #cgs per molecule.
 674          */
 675         bId = TRUE;
 676         for (m = 0; m < molb->nmol; m++)
 677         {
 678             int am = m*cgs->index[cgs->nr];
 679             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 680             {
 681                 a0 = cgs->index[cg];
 682                 a1 = cgs->index[cg+1];
 683                 if (ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0) !=
 684                     ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset   +a0))
 685                 {
 686                     bId = FALSE;
 687                 }
 688                 if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM] != NULL)
 689                 {
 690                     for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 691                     {
 692                         if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset+am+ai] !=
 693                             mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset   +ai])
 694                         {
 695                             bId = FALSE;
 696                         }
 697                     }
 698                 }
 699             }
 700         }
 701
 702         cginfo_mb[mb].cg_start = cg_offset;
 703         cginfo_mb[mb].cg_end   = cg_offset + molb->nmol*cgs->nr;
 704         cginfo_mb[mb].cg_mod   = (bId ? 1 : molb->nmol)*cgs->nr;
 705         snew(cginfo_mb[mb].cginfo, cginfo_mb[mb].cg_mod);
 706         cginfo = cginfo_mb[mb].cginfo;
 707
 708         /* Set constraints flags for constrained atoms */
 709         snew(a_con, molt->atoms.nr);
 710         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 711         {
 712             if (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT)
 713             {
 714                 int nral;
 715
 716                 nral = NRAL(ftype);
 717                 for (ia = 0; ia < molt->ilist[ftype].nr; ia += 1+nral)
 718                 {
 719                     int a;
 720
 721                     for (a = 0; a < nral; a++)
 722                     {
 723                         a_con[molt->ilist[ftype].iatoms[ia+1+a]] =
 724                             (ftype == F_SETTLE ? acSETTLE : acCONSTRAINT);
 725                     }
 726                 }
 727             }
 728         }
 729
 730         for (m = 0; m < (bId ? 1 : molb->nmol); m++)
 731         {
 732             int cgm = m*cgs->nr;
 733             int am  = m*cgs->index[cgs->nr];
 734             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 735             {
 736                 a0 = cgs->index[cg];
 737                 a1 = cgs->index[cg+1];
 738
 739                 /* Store the energy group in cginfo */
 740                 gid = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0);
 741                 SET_CGINFO_GID(cginfo[cgm+cg], gid);
 742
 743                 /* Check the intra/inter charge group exclusions */
 744                 if (a1-a0 > excl_nalloc)
 745                 {
 746                     excl_nalloc = a1 - a0;
 747                     srenew(bExcl, excl_nalloc);
 748                 }
 749                 /* bExclIntraAll: all intra cg interactions excluded
 750                  * bExclInter:    any inter cg interactions excluded
 751                  */
 752                 bExclIntraAll       = TRUE;
 753                 bExclInter          = FALSE;
 754                 bHaveVDW            = FALSE;
 755                 bHaveQ              = FALSE;
 756                 bHavePerturbedAtoms = FALSE;
 757                 for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 758                 {
 759                     /* Check VDW and electrostatic interactions */
 760                     bHaveVDW = bHaveVDW || (type_VDW[molt->atoms.atom[ai].type] ||
 761                                             type_VDW[molt->atoms.atom[ai].typeB]);
 762                     bHaveQ  = bHaveQ    || (molt->atoms.atom[ai].q != 0 ||
 763                                             molt->atoms.atom[ai].qB != 0);
 764
 765                     bHavePerturbedAtoms = bHavePerturbedAtoms || (PERTURBED(molt->atoms.atom[ai]) != 0);
 766
 767                     /* Clear the exclusion list for atom ai */
 768                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 769                     {
 770                         bExcl[aj-a0] = FALSE;
 771                     }
 772                     /* Loop over all the exclusions of atom ai */
 773                     for (j = excl->index[ai]; j < excl->index[ai+1]; j++)
 774                     {
 775                         aj = excl->a[j];
 776                         if (aj < a0 || aj >= a1)
 777                         {
 778                             bExclInter = TRUE;
 779                         }
 780                         else
 781                         {
 782                             bExcl[aj-a0] = TRUE;
 783                         }
 784                     }
 785                     /* Check if ai excludes a0 to a1 */
 786                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 787                     {
 788                         if (!bExcl[aj-a0])
 789                         {
 790                             bExclIntraAll = FALSE;
 791                         }
 792                     }
 793
 794                     switch (a_con[ai])
 795                     {
 796                         case acCONSTRAINT:
 797                             SET_CGINFO_CONSTR(cginfo[cgm+cg]);
 798                             break;
 799                         case acSETTLE:
 800                             SET_CGINFO_SETTLE(cginfo[cgm+cg]);
 801                             break;
 802                         default:
 803                             break;
 804                     }
 805                 }
 806                 if (bExclIntraAll)
 807                 {
 808                     SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cgm+cg]);
 809                 }
 810                 if (bExclInter)
 811                 {
 812                     SET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cgm+cg]);
 813                 }
 814                 if (a1 - a0 > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 815                 {
 816                     /* The size in cginfo is currently only read with DD */
 817                     gmx_fatal(FARGS, "A charge group has size %d which is larger than the limit of %d atoms", a1-a0, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 818                 }
 819                 if (bHaveVDW)
 820                 {
 821                     SET_CGINFO_HAS_VDW(cginfo[cgm+cg]);
 822                 }
 823                 if (bHaveQ)
 824                 {
 825                     SET_CGINFO_HAS_Q(cginfo[cgm+cg]);
 826                 }
 827                 if (bHavePerturbedAtoms && fr->efep != efepNO)
 828                 {
 829                     SET_CGINFO_FEP(cginfo[cgm+cg]);
 830                     *bFEP_NonBonded = TRUE;
 831                 }
 832                 /* Store the charge group size */
 833                 SET_CGINFO_NATOMS(cginfo[cgm+cg], a1-a0);
 834
 835                 if (!bExclIntraAll || bExclInter)
 836                 {
 837                     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = FALSE;
 838                 }
 839             }
 840         }
 841
 842         sfree(a_con);
 843
 844         cg_offset += molb->nmol*cgs->nr;
 845         a_offset  += molb->nmol*cgs->index[cgs->nr];
 846     }
 847     sfree(bExcl);
 848
 849     /* the solvent optimizer is called after the QM is initialized,
 850      * because we don't want to have the QM subsystemto become an
 851      * optimized solvent
 852      */
 853
 854     check_solvent(fplog, mtop, fr, cginfo_mb);
 855
 856     if (getenv("GMX_NO_SOLV_OPT"))
 857     {
 858         if (fplog)
 859         {
 860             fprintf(fplog, "Found environment variable GMX_NO_SOLV_OPT.\n"
 861                     "Disabling all solvent optimization\n");
 862         }
 863         fr->solvent_opt = esolNO;
 864     }
 865     if (bNoSolvOpt)
 866     {
 867         fr->solvent_opt = esolNO;
 868     }
 869     if (!fr->solvent_opt)
 870     {
 871         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 872         {
 873             for (cg = 0; cg < cginfo_mb[mb].cg_mod; cg++)
 874             {
 875                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[cg], esolNO);
 876             }
 877         }
 878     }
 879
 880     return cginfo_mb;
 881 }
 882
 883 static int *cginfo_expand(int nmb, cginfo_mb_t *cgi_mb)
 884 {
 885     int  ncg, mb, cg;
 886     int *cginfo;
 887
 888     ncg = cgi_mb[nmb-1].cg_end;
 889     snew(cginfo, ncg);
 890     mb = 0;
 891     for (cg = 0; cg < ncg; cg++)
 892     {
 893         while (cg >= cgi_mb[mb].cg_end)
 894         {
 895             mb++;
 896         }
 897         cginfo[cg] =
 898             cgi_mb[mb].cginfo[(cg - cgi_mb[mb].cg_start) % cgi_mb[mb].cg_mod];
 899     }
 900
 901     return cginfo;
 902 }
 903
 904 static void set_chargesum(FILE *log, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 905 {
 906     /*This now calculates sum for q and c6*/
 907     double         qsum, q2sum, q, c6sum, c6;
 908     int            mb, nmol, i;
 909     const t_atoms *atoms;
 910
 911     qsum   = 0;
 912     q2sum  = 0;
 913     c6sum  = 0;
 914     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 915     {
 916         nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 917         atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 918         for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 919         {
 920             q       = atoms->atom[i].q;
 921             qsum   += nmol*q;
 922             q2sum  += nmol*q*q;
 923             c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 924             c6sum  += nmol*c6;
 925         }
 926     }
 927     fr->qsum[0]   = qsum;
 928     fr->q2sum[0]  = q2sum;
 929     fr->c6sum[0]  = c6sum;
 930
 931     if (fr->efep != efepNO)
 932     {
 933         qsum   = 0;
 934         q2sum  = 0;
 935         c6sum  = 0;
 936         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 937         {
 938             nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 939             atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 940             for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 941             {
 942                 q       = atoms->atom[i].qB;
 943                 qsum   += nmol*q;
 944                 q2sum  += nmol*q*q;
 945                 c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 946                 c6sum  += nmol*c6;
 947             }
 948             fr->qsum[1]   = qsum;
 949             fr->q2sum[1]  = q2sum;
 950             fr->c6sum[1]  = c6sum;
 951         }
 952     }
 953     else
 954     {
 955         fr->qsum[1]   = fr->qsum[0];
 956         fr->q2sum[1]  = fr->q2sum[0];
 957         fr->c6sum[1]  = fr->c6sum[0];
 958     }
 959     if (log)
 960     {
 961         if (fr->efep == efepNO)
 962         {
 963             fprintf(log, "System total charge: %.3f\n", fr->qsum[0]);
 964         }
 965         else
 966         {
 967             fprintf(log, "System total charge, top. A: %.3f top. B: %.3f\n",
 968                     fr->qsum[0], fr->qsum[1]);
 969         }
 970     }
 971 }
 972
 973 void update_forcerec(t_forcerec *fr, matrix box)
 974 {
 975     if (fr->eeltype == eelGRF)
 976     {
 977         calc_rffac(NULL, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
 978                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
 979                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->c_rf);
 980     }
 981 }
 982
 983 void set_avcsixtwelve(FILE *fplog, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 984 {
 985     const t_atoms  *atoms, *atoms_tpi;
 986     const t_blocka *excl;
 987     int             mb, nmol, nmolc, i, j, tpi, tpj, j1, j2, k, nexcl, q;
 988     gmx_int64_t     npair, npair_ij, tmpi, tmpj;
 989     double          csix, ctwelve;
 990     int             ntp, *typecount;
 991     gmx_bool        bBHAM;
 992     real           *nbfp;
 993     real           *nbfp_comb = NULL;
 994
 995     ntp   = fr->ntype;
 996     bBHAM = fr->bBHAM;
 997     nbfp  = fr->nbfp;
 998
 999     /* For LJ-PME, we want to correct for the difference between the
1000      * actual C6 values and the C6 values used by the LJ-PME based on
1001      * combination rules. */
1002
1003     if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
1004     {
1005         nbfp_comb = mk_nbfp_combination_rule(&mtop->ffparams,
1006                                              (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB) ? eCOMB_ARITHMETIC : eCOMB_GEOMETRIC);
1007         for (tpi = 0; tpi < ntp; ++tpi)
1008         {
1009             for (tpj = 0; tpj < ntp; ++tpj)
1010             {
1011                 C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) =
1012                     C6(nbfp, ntp, tpi, tpj) - C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj);
1013                 C12(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) = C12(nbfp, ntp, tpi, tpj);
1014             }
1015         }
1016         nbfp = nbfp_comb;
1017     }
1018     for (q = 0; q < (fr->efep == efepNO ? 1 : 2); q++)
1019     {
1020         csix    = 0;
1021         ctwelve = 0;
1022         npair   = 0;
1023         nexcl   = 0;
1024         if (!fr->n_tpi)
1025         {
1026             /* Count the types so we avoid natoms^2 operations */
1027             snew(typecount, ntp);
1028             gmx_mtop_count_atomtypes(mtop, q, typecount);
1029
1030             for (tpi = 0; tpi < ntp; tpi++)
1031             {
1032                 for (tpj = tpi; tpj < ntp; tpj++)
1033                 {
1034                     tmpi = typecount[tpi];
1035                     tmpj = typecount[tpj];
1036                     if (tpi != tpj)
1037                     {
1038                         npair_ij = tmpi*tmpj;
1039                     }
1040                     else
1041                     {
1042                         npair_ij = tmpi*(tmpi - 1)/2;
1043                     }
1044                     if (bBHAM)
1045                     {
1046                         /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1047                         csix    += npair_ij*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1048                     }
1049                     else
1050                     {
1051                         /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1052                         csix    += npair_ij*   C6(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1053                         ctwelve += npair_ij*  C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1054                     }
1055                     npair += npair_ij;
1056                 }
1057             }
1058             sfree(typecount);
1059             /* Subtract the excluded pairs.
1060              * The main reason for substracting exclusions is that in some cases
1061              * some combinations might never occur and the parameters could have
1062              * any value. These unused values should not influence the dispersion
1063              * correction.
1064              */
1065             for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1066             {
1067                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1068                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1069                 excl  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].excls;
1070                 for (i = 0; (i < atoms->nr); i++)
1071                 {
1072                     if (q == 0)
1073                     {
1074                         tpi = atoms->atom[i].type;
1075                     }
1076                     else
1077                     {
1078                         tpi = atoms->atom[i].typeB;
1079                     }
1080                     j1  = excl->index[i];
1081                     j2  = excl->index[i+1];
1082                     for (j = j1; j < j2; j++)
1083                     {
1084                         k = excl->a[j];
1085                         if (k > i)
1086                         {
1087                             if (q == 0)
1088                             {
1089                                 tpj = atoms->atom[k].type;
1090                             }
1091                             else
1092                             {
1093                                 tpj = atoms->atom[k].typeB;
1094                             }
1095                             if (bBHAM)
1096                             {
1097                                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1098                                 csix -= nmol*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1099                             }
1100                             else
1101                             {
1102                                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1103                                 csix    -= nmol*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1104                                 ctwelve -= nmol*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1105                             }
1106                             nexcl += nmol;
1107                         }
1108                     }
1109                 }
1110             }
1111         }
1112         else
1113         {
1114             /* Only correct for the interaction of the test particle
1115              * with the rest of the system.
1116              */
1117             atoms_tpi =
1118                 &mtop->moltype[mtop->molblock[mtop->nmolblock-1].type].atoms;
1119
1120             npair = 0;
1121             for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1122             {
1123                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1124                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1125                 for (j = 0; j < atoms->nr; j++)
1126                 {
1127                     nmolc = nmol;
1128                     /* Remove the interaction of the test charge group
1129                      * with itself.
1130                      */
1131                     if (mb == mtop->nmolblock-1)
1132                     {
1133                         nmolc--;
1134
1135                         if (mb == 0 && nmol == 1)
1136                         {
1137                             gmx_fatal(FARGS, "Old format tpr with TPI, please generate a new tpr file");
1138                         }
1139                     }
1140                     if (q == 0)
1141                     {
1142                         tpj = atoms->atom[j].type;
1143                     }
1144                     else
1145                     {
1146                         tpj = atoms->atom[j].typeB;
1147                     }
1148                     for (i = 0; i < fr->n_tpi; i++)
1149                     {
1150                         if (q == 0)
1151                         {
1152                             tpi = atoms_tpi->atom[i].type;
1153                         }
1154                         else
1155                         {
1156                             tpi = atoms_tpi->atom[i].typeB;
1157                         }
1158                         if (bBHAM)
1159                         {
1160                             /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1161                             csix    += nmolc*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1162                         }
1163                         else
1164                         {
1165                             /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1166                             csix    += nmolc*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1167                             ctwelve += nmolc*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1168                         }
1169                         npair += nmolc;
1170                     }
1171                 }
1172             }
1173         }
1174         if (npair - nexcl <= 0 && fplog)
1175         {
1176             fprintf(fplog, "\nWARNING: There are no atom pairs for dispersion correction\n\n");
1177             csix     = 0;
1178             ctwelve  = 0;
1179         }
1180         else
1181         {
1182             csix    /= npair - nexcl;
1183             ctwelve /= npair - nexcl;
1184         }
1185         if (debug)
1186         {
1187             fprintf(debug, "Counted %d exclusions\n", nexcl);
1188             fprintf(debug, "Average C6 parameter is: %10g\n", (double)csix);
1189             fprintf(debug, "Average C12 parameter is: %10g\n", (double)ctwelve);
1190         }
1191         fr->avcsix[q]    = csix;
1192         fr->avctwelve[q] = ctwelve;
1193     }
1194
1195     if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
1196     {
1197         sfree(nbfp_comb);
1198     }
1199
1200     if (fplog != NULL)
1201     {
1202         if (fr->eDispCorr == edispcAllEner ||
1203             fr->eDispCorr == edispcAllEnerPres)
1204         {
1205             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e, <C12> %10.4e\n",
1206                     fr->avcsix[0], fr->avctwelve[0]);
1207         }
1208         else
1209         {
1210             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e\n", fr->avcsix[0]);
1211         }
1212     }
1213 }
1214
1215
1216 static void set_bham_b_max(FILE *fplog, t_forcerec *fr,
1217                            const gmx_mtop_t *mtop)
1218 {
1219     const t_atoms *at1, *at2;
1220     int            mt1, mt2, i, j, tpi, tpj, ntypes;
1221     real           b, bmin;
1222     real          *nbfp;
1223
1224     if (fplog)
1225     {
1226         fprintf(fplog, "Determining largest Buckingham b parameter for table\n");
1227     }
1228     nbfp   = fr->nbfp;
1229     ntypes = fr->ntype;
1230
1231     bmin           = -1;
1232     fr->bham_b_max = 0;
1233     for (mt1 = 0; mt1 < mtop->nmoltype; mt1++)
1234     {
1235         at1 = &mtop->moltype[mt1].atoms;
1236         for (i = 0; (i < at1->nr); i++)
1237         {
1238             tpi = at1->atom[i].type;
1239             if (tpi >= ntypes)
1240             {
1241                 gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", i, tpi, ntypes);
1242             }
1243
1244             for (mt2 = mt1; mt2 < mtop->nmoltype; mt2++)
1245             {
1246                 at2 = &mtop->moltype[mt2].atoms;
1247                 for (j = 0; (j < at2->nr); j++)
1248                 {
1249                     tpj = at2->atom[j].type;
1250                     if (tpj >= ntypes)
1251                     {
1252                         gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", j, tpj, ntypes);
1253                     }
1254                     b = BHAMB(nbfp, ntypes, tpi, tpj);
1255                     if (b > fr->bham_b_max)
1256                     {
1257                         fr->bham_b_max = b;
1258                     }
1259                     if ((b < bmin) || (bmin == -1))
1260                     {
1261                         bmin = b;
1262                     }
1263                 }
1264             }
1265         }
1266     }
1267     if (fplog)
1268     {
1269         fprintf(fplog, "Buckingham b parameters, min: %g, max: %g\n",
1270                 bmin, fr->bham_b_max);
1271     }
1272 }
1273
1274 static void make_nbf_tables(FILE *fp, const output_env_t oenv,
1275                             t_forcerec *fr, real rtab,
1276                             const t_commrec *cr,
1277                             const char *tabfn, char *eg1, char *eg2,
1278                             t_nblists *nbl)
1279 {
1280     char buf[STRLEN];
1281     int  i, j;
1282
1283     if (tabfn == NULL)
1284     {
1285         if (debug)
1286         {
1287             fprintf(debug, "No table file name passed, can not read table, can not do non-bonded interactions\n");
1288         }
1289         return;
1290     }
1291
1292     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1293     if (eg1 && eg2)
1294     {
1295         /* Append the two energy group names */
1296         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s_%s.%s",
1297                 eg1, eg2, ftp2ext(efXVG));
1298     }
1299     nbl->table_elec_vdw = make_tables(fp, oenv, fr, MASTER(cr), buf, rtab, 0);
1300     /* Copy the contents of the table to separate coulomb and LJ tables too,
1301      * to improve cache performance.
1302      */
1303     /* For performance reasons we want
1304      * the table data to be aligned to 16-byte. The pointers could be freed
1305      * but currently aren't.
1306      */
1307     nbl->table_elec.interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_ELEC;
1308     nbl->table_elec.format        = nbl->table_elec_vdw.format;
1309     nbl->table_elec.r             = nbl->table_elec_vdw.r;
1310     nbl->table_elec.n             = nbl->table_elec_vdw.n;
1311     nbl->table_elec.scale         = nbl->table_elec_vdw.scale;
1312     nbl->table_elec.scale_exp     = nbl->table_elec_vdw.scale_exp;
1313     nbl->table_elec.formatsize    = nbl->table_elec_vdw.formatsize;
1314     nbl->table_elec.ninteractions = 1;
1315     nbl->table_elec.stride        = nbl->table_elec.formatsize * nbl->table_elec.ninteractions;
1316     snew_aligned(nbl->table_elec.data, nbl->table_elec.stride*(nbl->table_elec.n+1), 32);
1317
1318     nbl->table_vdw.interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_VDWREP_VDWDISP;
1319     nbl->table_vdw.format        = nbl->table_elec_vdw.format;
1320     nbl->table_vdw.r             = nbl->table_elec_vdw.r;
1321     nbl->table_vdw.n             = nbl->table_elec_vdw.n;
1322     nbl->table_vdw.scale         = nbl->table_elec_vdw.scale;
1323     nbl->table_vdw.scale_exp     = nbl->table_elec_vdw.scale_exp;
1324     nbl->table_vdw.formatsize    = nbl->table_elec_vdw.formatsize;
1325     nbl->table_vdw.ninteractions = 2;
1326     nbl->table_vdw.stride        = nbl->table_vdw.formatsize * nbl->table_vdw.ninteractions;
1327     snew_aligned(nbl->table_vdw.data, nbl->table_vdw.stride*(nbl->table_vdw.n+1), 32);
1328
1329     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw.n; i++)
1330     {
1331         for (j = 0; j < 4; j++)
1332         {
1333             nbl->table_elec.data[4*i+j] = nbl->table_elec_vdw.data[12*i+j];
1334         }
1335         for (j = 0; j < 8; j++)
1336         {
1337             nbl->table_vdw.data[8*i+j] = nbl->table_elec_vdw.data[12*i+4+j];
1338         }
1339     }
1340 }
1341
1342 static void count_tables(int ftype1, int ftype2, const gmx_mtop_t *mtop,
1343                          int *ncount, int **count)
1344 {
1345     const gmx_moltype_t *molt;
1346     const t_ilist       *il;
1347     int                  mt, ftype, stride, i, j, tabnr;
1348
1349     for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1350     {
1351         molt = &mtop->moltype[mt];
1352         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1353         {
1354             if (ftype == ftype1 || ftype == ftype2)
1355             {
1356                 il     = &molt->ilist[ftype];
1357                 stride = 1 + NRAL(ftype);
1358                 for (i = 0; i < il->nr; i += stride)
1359                 {
1360                     tabnr = mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]].tab.table;
1361                     if (tabnr < 0)
1362                     {
1363                         gmx_fatal(FARGS, "A bonded table number is smaller than 0: %d\n", tabnr);
1364                     }
1365                     if (tabnr >= *ncount)
1366                     {
1367                         srenew(*count, tabnr+1);
1368                         for (j = *ncount; j < tabnr+1; j++)
1369                         {
1370                             (*count)[j] = 0;
1371                         }
1372                         *ncount = tabnr+1;
1373                     }
1374                     (*count)[tabnr]++;
1375                 }
1376             }
1377         }
1378     }
1379 }
1380
1381 static bondedtable_t *make_bonded_tables(FILE *fplog,
1382                                          int ftype1, int ftype2,
1383                                          const gmx_mtop_t *mtop,
1384                                          const char *basefn, const char *tabext)
1385 {
1386     int            i, ncount, *count;
1387     char           tabfn[STRLEN];
1388     bondedtable_t *tab;
1389
1390     tab = NULL;
1391
1392     ncount = 0;
1393     count  = NULL;
1394     count_tables(ftype1, ftype2, mtop, &ncount, &count);
1395
1396     if (ncount > 0)
1397     {
1398         snew(tab, ncount);
1399         for (i = 0; i < ncount; i++)
1400         {
1401             if (count[i] > 0)
1402             {
1403                 sprintf(tabfn, "%s", basefn);
1404                 sprintf(tabfn + strlen(basefn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s%d.%s",
1405                         tabext, i, ftp2ext(efXVG));
1406                 tab[i] = make_bonded_table(fplog, tabfn, NRAL(ftype1)-2);
1407             }
1408         }
1409         sfree(count);
1410     }
1411
1412     return tab;
1413 }
1414
1415 void forcerec_set_ranges(t_forcerec *fr,
1416                          int ncg_home, int ncg_force,
1417                          int natoms_force,
1418                          int natoms_force_constr, int natoms_f_novirsum)
1419 {
1420     fr->cg0 = 0;
1421     fr->hcg = ncg_home;
1422
1423     /* fr->ncg_force is unused in the standard code,
1424      * but it can be useful for modified code dealing with charge groups.
1425      */
1426     fr->ncg_force           = ncg_force;
1427     fr->natoms_force        = natoms_force;
1428     fr->natoms_force_constr = natoms_force_constr;
1429
1430     if (fr->natoms_force_constr > fr->nalloc_force)
1431     {
1432         fr->nalloc_force = over_alloc_dd(fr->natoms_force_constr);
1433
1434         if (fr->bTwinRange)
1435         {
1436             srenew(fr->f_twin, fr->nalloc_force);
1437         }
1438     }
1439
1440     if (fr->bF_NoVirSum)
1441     {
1442         fr->f_novirsum_n = natoms_f_novirsum;
1443         if (fr->f_novirsum_n > fr->f_novirsum_nalloc)
1444         {
1445             fr->f_novirsum_nalloc = over_alloc_dd(fr->f_novirsum_n);
1446             srenew(fr->f_novirsum_alloc, fr->f_novirsum_nalloc);
1447         }
1448     }
1449     else
1450     {
1451         fr->f_novirsum_n = 0;
1452     }
1453 }
1454
1455 static real cutoff_inf(real cutoff)
1456 {
1457     if (cutoff == 0)
1458     {
1459         cutoff = GMX_CUTOFF_INF;
1460     }
1461
1462     return cutoff;
1463 }
1464
1465 static void make_adress_tf_tables(FILE *fp, const output_env_t oenv,
1466                                   t_forcerec *fr, const t_inputrec *ir,
1467                                   const char *tabfn, const gmx_mtop_t *mtop,
1468                                   matrix     box)
1469 {
1470     char buf[STRLEN];
1471     int  i, j;
1472
1473     if (tabfn == NULL)
1474     {
1475         gmx_fatal(FARGS, "No thermoforce table file given. Use -tabletf to specify a file\n");
1476         return;
1477     }
1478
1479     snew(fr->atf_tabs, ir->adress->n_tf_grps);
1480
1481     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1482     for (i = 0; i < ir->adress->n_tf_grps; i++)
1483     {
1484         j = ir->adress->tf_table_index[i]; /* get energy group index */
1485         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "tf_%s.%s",
1486                 *(mtop->groups.grpname[mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind[j]]), ftp2ext(efXVG));
1487         if (fp)
1488         {
1489             fprintf(fp, "loading tf table for energygrp index %d from %s\n", ir->adress->tf_table_index[i], buf);
1490         }
1491         fr->atf_tabs[i] = make_atf_table(fp, oenv, fr, buf, box);
1492     }
1493
1494 }
1495
1496 gmx_bool can_use_allvsall(const t_inputrec *ir, gmx_bool bPrintNote, t_commrec *cr, FILE *fp)
1497 {
1498     gmx_bool bAllvsAll;
1499
1500     bAllvsAll =
1501         (
1502             ir->rlist == 0            &&
1503             ir->rcoulomb == 0         &&
1504             ir->rvdw == 0             &&
1505             ir->ePBC == epbcNONE      &&
1506             ir->vdwtype == evdwCUT    &&
1507             ir->coulombtype == eelCUT &&
1508             ir->efep == efepNO        &&
1509             (ir->implicit_solvent == eisNO ||
1510              (ir->implicit_solvent == eisGBSA && (ir->gb_algorithm == egbSTILL ||
1511                                                   ir->gb_algorithm == egbHCT   ||
1512                                                   ir->gb_algorithm == egbOBC))) &&
1513             getenv("GMX_NO_ALLVSALL") == NULL
1514         );
1515
1516     if (bAllvsAll && ir->opts.ngener > 1)
1517     {
1518         const char *note = "NOTE: Can not use all-vs-all force loops, because there are multiple energy monitor groups; you might get significantly higher performance when using only a single energy monitor group.\n";
1519
1520         if (bPrintNote)
1521         {
1522             if (MASTER(cr))
1523             {
1524                 fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
1525             }
1526             if (fp != NULL)
1527             {
1528                 fprintf(fp, "\n%s\n", note);
1529             }
1530         }
1531         bAllvsAll = FALSE;
1532     }
1533
1534     if (bAllvsAll && fp && MASTER(cr))
1535     {
1536         fprintf(fp, "\nUsing SIMD all-vs-all kernels.\n\n");
1537     }
1538
1539     return bAllvsAll;
1540 }
1541
1542
1543 gmx_bool nbnxn_gpu_acceleration_supported(FILE             *fplog,
1544                                           const t_commrec  *cr,
1545                                           const t_inputrec *ir,
1546                                           gmx_bool          bRerunMD)
1547 {
1548     if (bRerunMD && ir->opts.ngener > 1)
1549     {
1550         /* Rerun execution time is dominated by I/O and pair search,
1551          * so GPUs are not very useful, plus they do not support more
1552          * than one energy group. If the user requested GPUs
1553          * explicitly, a fatal error is given later.  With non-reruns,
1554          * we fall back to a single whole-of system energy group
1555          * (which runs much faster than a multiple-energy-groups
1556          * implementation would), and issue a note in the .log
1557          * file. Users can re-run if they want the information. */
1558         md_print_warn(cr, fplog, "Rerun with energy groups is not implemented for GPUs, falling back to the CPU\n");
1559         return FALSE;
1560     }
1561
1562     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1563     {
1564         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1565          * This so slow that we don't compile GPU non-bonded kernels for that.
1566          */
1567         md_print_warn(cr, fplog, "LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with GPUs, falling back to CPU only\n");
1568         return FALSE;
1569     }
1570
1571     return TRUE;
1572 }
1573
1574 gmx_bool nbnxn_simd_supported(FILE             *fplog,
1575                               const t_commrec  *cr,
1576                               const t_inputrec *ir)
1577 {
1578     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1579     {
1580         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1581          * This so slow that we don't compile SIMD non-bonded kernels
1582          * for that. */
1583         md_print_warn(cr, fplog, "LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with SIMD kernels, falling back to plain C kernels\n");
1584         return FALSE;
1585     }
1586
1587     return TRUE;
1588 }
1589
1590
1591 static void pick_nbnxn_kernel_cpu(const t_inputrec gmx_unused *ir,
1592                                   int                         *kernel_type,
1593                                   int                         *ewald_excl)
1594 {
1595     *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1596     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1597
1598 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1599     {
1600 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1601         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1602 #endif
1603 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1604         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1605 #endif
1606
1607 #if defined GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && defined GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1608         /* We need to choose if we want 2x(N+N) or 4xN kernels.
1609          * Currently this is based on the SIMD acceleration choice,
1610          * but it might be better to decide this at runtime based on CPU.
1611          *
1612          * 4xN calculates more (zero) interactions, but has less pair-search
1613          * work and much better kernel instruction scheduling.
1614          *
1615          * Up till now we have only seen that on Intel Sandy/Ivy Bridge,
1616          * which doesn't have FMA, both the analytical and tabulated Ewald
1617          * kernels have similar pair rates for 4x8 and 2x(4+4), so we choose
1618          * 2x(4+4) because it results in significantly fewer pairs.
1619          * For RF, the raw pair rate of the 4x8 kernel is higher than 2x(4+4),
1620          * 10% with HT, 50% without HT. As we currently don't detect the actual
1621          * use of HT, use 4x8 to avoid a potential performance hit.
1622          * On Intel Haswell 4x8 is always faster.
1623          */
1624         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1625
1626 #ifndef GMX_SIMD_HAVE_FMA
1627         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) ||
1628             EVDW_PME(ir->vdwtype))
1629         {
1630             /* We have Ewald kernels without FMA (Intel Sandy/Ivy Bridge).
1631              * There are enough instructions to make 2x(4+4) efficient.
1632              */
1633             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1634         }
1635 #endif
1636 #endif  /* GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && GMX_NBNXN_SIMD_4XN */
1637
1638
1639         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_4XN") != NULL)
1640         {
1641 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1642             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1643 #else
1644             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 4xN kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1645 #endif
1646         }
1647         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_2XNN") != NULL)
1648         {
1649 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1650             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1651 #else
1652             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 2x(N+N) kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1653 #endif
1654         }
1655
1656         /* Analytical Ewald exclusion correction is only an option in
1657          * the SIMD kernel.
1658          * Since table lookup's don't parallelize with SIMD, analytical
1659          * will probably always be faster for a SIMD width of 8 or more.
1660          * With FMA analytical is sometimes faster for a width if 4 as well.
1661          * On BlueGene/Q, this is faster regardless of precision.
1662          * In single precision, this is faster on Bulldozer.
1663          */
1664 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 8 || \
1665         (GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 4 && defined GMX_SIMD_HAVE_FMA && !defined GMX_DOUBLE) || \
1666         defined GMX_SIMD_IBM_QPX
1667         *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1668 #endif
1669         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_TABLE") != NULL)
1670         {
1671             *ewald_excl = ewaldexclTable;
1672         }
1673         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_ANALYTICAL") != NULL)
1674         {
1675             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1676         }
1677
1678     }
1679 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
1680 }
1681
1682
1683 const char *lookup_nbnxn_kernel_name(int kernel_type)
1684 {
1685     const char *returnvalue = NULL;
1686     switch (kernel_type)
1687     {
1688         case nbnxnkNotSet:
1689             returnvalue = "not set";
1690             break;
1691         case nbnxnk4x4_PlainC:
1692             returnvalue = "plain C";
1693             break;
1694         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
1695         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
1696 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1697 #if defined GMX_SIMD_X86_SSE2
1698             returnvalue = "SSE2";
1699 #elif defined GMX_SIMD_X86_SSE4_1
1700             returnvalue = "SSE4.1";
1701 #elif defined GMX_SIMD_X86_AVX_128_FMA
1702             returnvalue = "AVX_128_FMA";
1703 #elif defined GMX_SIMD_X86_AVX_256
1704             returnvalue = "AVX_256";
1705 #elif defined GMX_SIMD_X86_AVX2_256
1706             returnvalue = "AVX2_256";
1707 #else
1708             returnvalue = "SIMD";
1709 #endif
1710 #else  /* GMX_NBNXN_SIMD */
1711             returnvalue = "not available";
1712 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
1713             break;
1714         case nbnxnk8x8x8_GPU: returnvalue    = "GPU"; break;
1715         case nbnxnk8x8x8_PlainC: returnvalue = "plain C"; break;
1716
1717         case nbnxnkNR:
1718         default:
1719             gmx_fatal(FARGS, "Illegal kernel type selected");
1720             returnvalue = NULL;
1721             break;
1722     }
1723     return returnvalue;
1724 };
1725
1726 static void pick_nbnxn_kernel(FILE                *fp,
1727                               const t_commrec     *cr,
1728                               gmx_bool             use_simd_kernels,
1729                               gmx_bool             bUseGPU,
1730                               gmx_bool             bEmulateGPU,
1731                               const t_inputrec    *ir,
1732                               int                 *kernel_type,
1733                               int                 *ewald_excl,
1734                               gmx_bool             bDoNonbonded)
1735 {
1736     assert(kernel_type);
1737
1738     *kernel_type = nbnxnkNotSet;
1739     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1740
1741     if (bEmulateGPU)
1742     {
1743         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_PlainC;
1744
1745         if (bDoNonbonded)
1746         {
1747             md_print_warn(cr, fp, "Emulating a GPU run on the CPU (slow)");
1748         }
1749     }
1750     else if (bUseGPU)
1751     {
1752         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_GPU;
1753     }
1754
1755     if (*kernel_type == nbnxnkNotSet)
1756     {
1757         if (use_simd_kernels &&
1758             nbnxn_simd_supported(fp, cr, ir))
1759         {
1760             pick_nbnxn_kernel_cpu(ir, kernel_type, ewald_excl);
1761         }
1762         else
1763         {
1764             *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1765         }
1766     }
1767
1768     if (bDoNonbonded && fp != NULL)
1769     {
1770         fprintf(fp, "\nUsing %s %dx%d non-bonded kernels\n\n",
1771                 lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type),
1772                 nbnxn_kernel_to_ci_size(*kernel_type),
1773                 nbnxn_kernel_to_cj_size(*kernel_type));
1774
1775         if (nbnxnk4x4_PlainC == *kernel_type ||
1776             nbnxnk8x8x8_PlainC == *kernel_type)
1777         {
1778             md_print_warn(cr, fp,
1779                           "WARNING: Using the slow %s kernels. This should\n"
1780                           "not happen during routine usage on supported platforms.\n\n",
1781                           lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type));
1782         }
1783     }
1784 }
1785
1786 static void pick_nbnxn_resources(FILE                *fp,
1787                                  const t_commrec     *cr,
1788                                  const gmx_hw_info_t *hwinfo,
1789                                  gmx_bool             bDoNonbonded,
1790                                  gmx_bool            *bUseGPU,
1791                                  gmx_bool            *bEmulateGPU,
1792                                  const gmx_gpu_opt_t *gpu_opt)
1793 {
1794     gmx_bool bEmulateGPUEnvVarSet;
1795     char     gpu_err_str[STRLEN];
1796
1797     *bUseGPU = FALSE;
1798
1799     bEmulateGPUEnvVarSet = (getenv("GMX_EMULATE_GPU") != NULL);
1800
1801     /* Run GPU emulation mode if GMX_EMULATE_GPU is defined. Because
1802      * GPUs (currently) only handle non-bonded calculations, we will
1803      * automatically switch to emulation if non-bonded calculations are
1804      * turned off via GMX_NO_NONBONDED - this is the simple and elegant
1805      * way to turn off GPU initialization, data movement, and cleanup.
1806      *
1807      * GPU emulation can be useful to assess the performance one can expect by
1808      * adding GPU(s) to the machine. The conditional below allows this even
1809      * if mdrun is compiled without GPU acceleration support.
1810      * Note that you should freezing the system as otherwise it will explode.
1811      */
1812     *bEmulateGPU = (bEmulateGPUEnvVarSet ||
1813                     (!bDoNonbonded && gpu_opt->n_dev_use > 0));
1814
1815     /* Enable GPU mode when GPUs are available or no GPU emulation is requested.
1816      */
1817     if (gpu_opt->n_dev_use > 0 && !(*bEmulateGPU))
1818     {
1819         /* Each PP node will use the intra-node id-th device from the
1820          * list of detected/selected GPUs. */
1821         if (!init_gpu(fp, cr->rank_pp_intranode, gpu_err_str,
1822                       &hwinfo->gpu_info, gpu_opt))
1823         {
1824             /* At this point the init should never fail as we made sure that
1825              * we have all the GPUs we need. If it still does, we'll bail. */
1826             /* TODO the decorating of gpu_err_str is nicer if it
1827                happens inside init_gpu. Out here, the decorating with
1828                the MPI rank makes sense. */
1829             gmx_fatal(FARGS, "On rank %d failed to initialize GPU #%d: %s",
1830                       cr->nodeid,
1831                       get_gpu_device_id(&hwinfo->gpu_info, gpu_opt,
1832                                         cr->rank_pp_intranode),
1833                       gpu_err_str);
1834         }
1835
1836         /* Here we actually turn on hardware GPU acceleration */
1837         *bUseGPU = TRUE;
1838     }
1839 }
1840
1841 gmx_bool uses_simple_tables(int                 cutoff_scheme,
1842                             nonbonded_verlet_t *nbv,
1843                             int                 group)
1844 {
1845     gmx_bool bUsesSimpleTables = TRUE;
1846     int      grp_index;
1847
1848     switch (cutoff_scheme)
1849     {
1850         case ecutsGROUP:
1851             bUsesSimpleTables = TRUE;
1852             break;
1853         case ecutsVERLET:
1854             assert(NULL != nbv && NULL != nbv->grp);
1855             grp_index         = (group < 0) ? 0 : (nbv->ngrp - 1);
1856             bUsesSimpleTables = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[grp_index].kernel_type);
1857             break;
1858         default:
1859             gmx_incons("unimplemented");
1860     }
1861     return bUsesSimpleTables;
1862 }
1863
1864 static void init_ewald_f_table(interaction_const_t *ic,
1865                                real                 rtab)
1866 {
1867     real maxr;
1868
1869     /* Get the Ewald table spacing based on Coulomb and/or LJ
1870      * Ewald coefficients and rtol.
1871      */
1872     ic->tabq_scale = ewald_spline3_table_scale(ic);
1873
1874     if (ic->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1875     {
1876         maxr = ic->rcoulomb;
1877     }
1878     else
1879     {
1880         maxr = std::max(ic->rcoulomb, rtab);
1881     }
1882     ic->tabq_size  = static_cast<int>(maxr*ic->tabq_scale) + 2;
1883
1884     sfree_aligned(ic->tabq_coul_FDV0);
1885     sfree_aligned(ic->tabq_coul_F);
1886     sfree_aligned(ic->tabq_coul_V);
1887
1888     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0);
1889     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_F);
1890     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_V);
1891
1892     if (ic->eeltype == eelEWALD || EEL_PME(ic->eeltype))
1893     {
1894         /* Create the original table data in FDV0 */
1895         snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1896         snew_aligned(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_size, 32);
1897         snew_aligned(ic->tabq_coul_V, ic->tabq_size, 32);
1898         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_coul_V, ic->tabq_coul_FDV0,
1899                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_q, v_q_ewald_lr);
1900     }
1901
1902     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1903     {
1904         snew_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1905         snew_aligned(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_size, 32);
1906         snew_aligned(ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_size, 32);
1907         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_vdw_FDV0,
1908                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_lj, v_lj_ewald_lr);
1909     }
1910 }
1911
1912 void init_interaction_const_tables(FILE                *fp,
1913                                    interaction_const_t *ic,
1914                                    real                 rtab)
1915 {
1916     if (ic->eeltype == eelEWALD || EEL_PME(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype))
1917     {
1918         init_ewald_f_table(ic, rtab);
1919
1920         if (fp != NULL)
1921         {
1922             fprintf(fp, "Initialized non-bonded Ewald correction tables, spacing: %.2e size: %d\n\n",
1923                     1/ic->tabq_scale, ic->tabq_size);
1924         }
1925     }
1926 }
1927
1928 static void clear_force_switch_constants(shift_consts_t *sc)
1929 {
1930     sc->c2   = 0;
1931     sc->c3   = 0;
1932     sc->cpot = 0;
1933 }
1934
1935 static void force_switch_constants(real p,
1936                                    real rsw, real rc,
1937                                    shift_consts_t *sc)
1938 {
1939     /* Here we determine the coefficient for shifting the force to zero
1940      * between distance rsw and the cut-off rc.
1941      * For a potential of r^-p, we have force p*r^-(p+1).
1942      * But to save flops we absorb p in the coefficient.
1943      * Thus we get:
1944      * force/p   = r^-(p+1) + c2*r^2 + c3*r^3
1945      * potential = r^-p + c2/3*r^3 + c3/4*r^4 + cpot
1946      */
1947     sc->c2   =  ((p + 1)*rsw - (p + 4)*rc)/(pow(rc, p + 2)*pow(rc - rsw, 2));
1948     sc->c3   = -((p + 1)*rsw - (p + 3)*rc)/(pow(rc, p + 2)*pow(rc - rsw, 3));
1949     sc->cpot = -pow(rc, -p) + p*sc->c2/3*pow(rc - rsw, 3) + p*sc->c3/4*pow(rc - rsw, 4);
1950 }
1951
1952 static void potential_switch_constants(real rsw, real rc,
1953                                        switch_consts_t *sc)
1954 {
1955     /* The switch function is 1 at rsw and 0 at rc.
1956      * The derivative and second derivate are zero at both ends.
1957      * rsw        = max(r - r_switch, 0)
1958      * sw         = 1 + c3*rsw^3 + c4*rsw^4 + c5*rsw^5
1959      * dsw        = 3*c3*rsw^2 + 4*c4*rsw^3 + 5*c5*rsw^4
1960      * force      = force*dsw - potential*sw
1961      * potential *= sw
1962      */
1963     sc->c3 = -10*pow(rc - rsw, -3);
1964     sc->c4 =  15*pow(rc - rsw, -4);
1965     sc->c5 =  -6*pow(rc - rsw, -5);
1966 }
1967
1968 /*! \brief Construct interaction constants
1969  *
1970  * This data is used (particularly) by search and force code for
1971  * short-range interactions. Many of these are constant for the whole
1972  * simulation; some are constant only after PME tuning completes.
1973  */
1974 static void
1975 init_interaction_const(FILE                       *fp,
1976                        interaction_const_t       **interaction_const,
1977                        const t_forcerec           *fr)
1978 {
1979     interaction_const_t *ic;
1980     const real           minusSix          = -6.0;
1981     const real           minusTwelve       = -12.0;
1982
1983     snew(ic, 1);
1984
1985     ic->cutoff_scheme   = fr->cutoff_scheme;
1986
1987     /* Just allocate something so we can free it */
1988     snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, 16, 32);
1989     snew_aligned(ic->tabq_coul_F, 16, 32);
1990     snew_aligned(ic->tabq_coul_V, 16, 32);
1991
1992     ic->rlist           = fr->rlist;
1993     ic->rlistlong       = fr->rlistlong;
1994
1995     /* Lennard-Jones */
1996     ic->vdwtype         = fr->vdwtype;
1997     ic->vdw_modifier    = fr->vdw_modifier;
1998     ic->rvdw            = fr->rvdw;
1999     ic->rvdw_switch     = fr->rvdw_switch;
2000     ic->ewaldcoeff_lj   = fr->ewaldcoeff_lj;
2001     ic->ljpme_comb_rule = fr->ljpme_combination_rule;
2002     ic->sh_lj_ewald     = 0;
2003     clear_force_switch_constants(&ic->dispersion_shift);
2004     clear_force_switch_constants(&ic->repulsion_shift);
2005
2006     switch (ic->vdw_modifier)
2007     {
2008         case eintmodPOTSHIFT:
2009             /* Only shift the potential, don't touch the force */
2010             ic->dispersion_shift.cpot = -pow(ic->rvdw, minusSix);
2011             ic->repulsion_shift.cpot  = -pow(ic->rvdw, minusTwelve);
2012             if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2013             {
2014                 real crc2;
2015
2016                 crc2            = sqr(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
2017                 ic->sh_lj_ewald = (exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)*pow(ic->rvdw, minusSix);
2018             }
2019             break;
2020         case eintmodFORCESWITCH:
2021             /* Switch the force, switch and shift the potential */
2022             force_switch_constants(6.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2023                                    &ic->dispersion_shift);
2024             force_switch_constants(12.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2025                                    &ic->repulsion_shift);
2026             break;
2027         case eintmodPOTSWITCH:
2028             /* Switch the potential and force */
2029             potential_switch_constants(ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2030                                        &ic->vdw_switch);
2031             break;
2032         case eintmodNONE:
2033         case eintmodEXACTCUTOFF:
2034             /* Nothing to do here */
2035             break;
2036         default:
2037             gmx_incons("unimplemented potential modifier");
2038     }
2039
2040     ic->sh_invrc6 = -ic->dispersion_shift.cpot;
2041
2042     /* Electrostatics */
2043     ic->eeltype          = fr->eeltype;
2044     ic->coulomb_modifier = fr->coulomb_modifier;
2045     ic->rcoulomb         = fr->rcoulomb;
2046     ic->epsilon_r        = fr->epsilon_r;
2047     ic->epsfac           = fr->epsfac;
2048     ic->ewaldcoeff_q     = fr->ewaldcoeff_q;
2049
2050     if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2051     {
2052         ic->sh_ewald = gmx_erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb);
2053     }
2054     else
2055     {
2056         ic->sh_ewald = 0;
2057     }
2058
2059     /* Reaction-field */
2060     if (EEL_RF(ic->eeltype))
2061     {
2062         ic->epsilon_rf = fr->epsilon_rf;
2063         ic->k_rf       = fr->k_rf;
2064         ic->c_rf       = fr->c_rf;
2065     }
2066     else
2067     {
2068         /* For plain cut-off we might use the reaction-field kernels */
2069         ic->epsilon_rf = ic->epsilon_r;
2070         ic->k_rf       = 0;
2071         if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2072         {
2073             ic->c_rf   = 1/ic->rcoulomb;
2074         }
2075         else
2076         {
2077             ic->c_rf   = 0;
2078         }
2079     }
2080
2081     if (fp != NULL)
2082     {
2083         real dispersion_shift;
2084
2085         dispersion_shift = ic->dispersion_shift.cpot;
2086         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2087         {
2088             dispersion_shift -= ic->sh_lj_ewald;
2089         }
2090         fprintf(fp, "Potential shift: LJ r^-12: %.3e r^-6: %.3e",
2091                 ic->repulsion_shift.cpot, dispersion_shift);
2092
2093         if (ic->eeltype == eelCUT)
2094         {
2095             fprintf(fp, ", Coulomb %.e", -ic->c_rf);
2096         }
2097         else if (EEL_PME(ic->eeltype))
2098         {
2099             fprintf(fp, ", Ewald %.3e", -ic->sh_ewald);
2100         }
2101         fprintf(fp, "\n");
2102     }
2103
2104     *interaction_const = ic;
2105 }
2106
2107 static void init_nb_verlet(FILE                *fp,
2108                            nonbonded_verlet_t **nb_verlet,
2109                            gmx_bool             bFEP_NonBonded,
2110                            const t_inputrec    *ir,
2111                            const t_forcerec    *fr,
2112                            const t_commrec     *cr,
2113                            const char          *nbpu_opt)
2114 {
2115     nonbonded_verlet_t *nbv;
2116     int                 i;
2117     char               *env;
2118     gmx_bool            bEmulateGPU, bHybridGPURun = FALSE;
2119
2120     nbnxn_alloc_t      *nb_alloc;
2121     nbnxn_free_t       *nb_free;
2122
2123     snew(nbv, 1);
2124
2125     pick_nbnxn_resources(fp, cr, fr->hwinfo,
2126                          fr->bNonbonded,
2127                          &nbv->bUseGPU,
2128                          &bEmulateGPU,
2129                          fr->gpu_opt);
2130
2131     nbv->nbs             = NULL;
2132     nbv->min_ci_balanced = 0;
2133
2134     nbv->ngrp = (DOMAINDECOMP(cr) ? 2 : 1);
2135     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2136     {
2137         nbv->grp[i].nbl_lists.nnbl = 0;
2138         nbv->grp[i].nbat           = NULL;
2139         nbv->grp[i].kernel_type    = nbnxnkNotSet;
2140
2141         if (i == 0) /* local */
2142         {
2143             pick_nbnxn_kernel(fp, cr, fr->use_simd_kernels,
2144                               nbv->bUseGPU, bEmulateGPU, ir,
2145                               &nbv->grp[i].kernel_type,
2146                               &nbv->grp[i].ewald_excl,
2147                               fr->bNonbonded);
2148         }
2149         else /* non-local */
2150         {
2151             if (nbpu_opt != NULL && strcmp(nbpu_opt, "gpu_cpu") == 0)
2152             {
2153                 /* Use GPU for local, select a CPU kernel for non-local */
2154                 pick_nbnxn_kernel(fp, cr, fr->use_simd_kernels,
2155                                   FALSE, FALSE, ir,
2156                                   &nbv->grp[i].kernel_type,
2157                                   &nbv->grp[i].ewald_excl,
2158                                   fr->bNonbonded);
2159
2160                 bHybridGPURun = TRUE;
2161             }
2162             else
2163             {
2164                 /* Use the same kernel for local and non-local interactions */
2165                 nbv->grp[i].kernel_type = nbv->grp[0].kernel_type;
2166                 nbv->grp[i].ewald_excl  = nbv->grp[0].ewald_excl;
2167             }
2168         }
2169     }
2170
2171     nbnxn_init_search(&nbv->nbs,
2172                       DOMAINDECOMP(cr) ? &cr->dd->nc : NULL,
2173                       DOMAINDECOMP(cr) ? domdec_zones(cr->dd) : NULL,
2174                       bFEP_NonBonded,
2175                       gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch));
2176
2177     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2178     {
2179         gpu_set_host_malloc_and_free(nbv->grp[0].kernel_type == nbnxnk8x8x8_GPU,
2180                                      &nb_alloc, &nb_free);
2181
2182         nbnxn_init_pairlist_set(&nbv->grp[i].nbl_lists,
2183                                 nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2184                                 /* 8x8x8 "non-simple" lists are ATM always combined */
2185                                 !nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2186                                 nb_alloc, nb_free);
2187
2188         if (i == 0 ||
2189             nbv->grp[0].kernel_type != nbv->grp[i].kernel_type)
2190         {
2191             gmx_bool bSimpleList;
2192             int      enbnxninitcombrule;
2193
2194             bSimpleList = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type);
2195
2196             if (bSimpleList && (fr->vdwtype == evdwCUT && (fr->vdw_modifier == eintmodNONE || fr->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)))
2197             {
2198                 /* Plain LJ cut-off: we can optimize with combination rules */
2199                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleDETECT;
2200             }
2201             else if (fr->vdwtype == evdwPME)
2202             {
2203                 /* LJ-PME: we need to use a combination rule for the grid */
2204                 if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeGEOM)
2205                 {
2206                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleGEOM;
2207                 }
2208                 else
2209                 {
2210                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleLB;
2211                 }
2212             }
2213             else
2214             {
2215                 /* We use a full combination matrix: no rule required */
2216                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleNONE;
2217             }
2218
2219
2220             snew(nbv->grp[i].nbat, 1);
2221             nbnxn_atomdata_init(fp,
2222                                 nbv->grp[i].nbat,
2223                                 nbv->grp[i].kernel_type,
2224                                 enbnxninitcombrule,
2225                                 fr->ntype, fr->nbfp,
2226                                 ir->opts.ngener,
2227                                 bSimpleList ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : 1,
2228                                 nb_alloc, nb_free);
2229         }
2230         else
2231         {
2232             nbv->grp[i].nbat = nbv->grp[0].nbat;
2233         }
2234     }
2235
2236     if (nbv->bUseGPU)
2237     {
2238         /* init the NxN GPU data; the last argument tells whether we'll have
2239          * both local and non-local NB calculation on GPU */
2240         nbnxn_gpu_init(fp, &nbv->gpu_nbv,
2241                        &fr->hwinfo->gpu_info,
2242                        fr->gpu_opt,
2243                        fr->ic,
2244                        nbv->grp,
2245                        cr->rank_pp_intranode,
2246                        cr->nodeid,
2247                        (nbv->ngrp > 1) && !bHybridGPURun);
2248
2249         /* With tMPI + GPUs some ranks may be sharing GPU(s) and therefore
2250          * also sharing texture references. To keep the code simple, we don't
2251          * treat texture references as shared resources, but this means that
2252          * the coulomb_tab and nbfp texture refs will get updated by multiple threads.
2253          * Hence, to ensure that the non-bonded kernels don't start before all
2254          * texture binding operations are finished, we need to wait for all ranks
2255          * to arrive here before continuing.
2256          *
2257          * Note that we could omit this barrier if GPUs are not shared (or
2258          * texture objects are used), but as this is initialization code, there
2259          * is no point in complicating things.
2260          */
2261 #ifdef GMX_THREAD_MPI
2262         if (PAR(cr))
2263         {
2264             gmx_barrier(cr);
2265         }
2266 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
2267
2268         if ((env = getenv("GMX_NB_MIN_CI")) != NULL)
2269         {
2270             char *end;
2271
2272             nbv->min_ci_balanced = strtol(env, &end, 10);
2273             if (!end || (*end != 0) || nbv->min_ci_balanced <= 0)
2274             {
2275                 gmx_fatal(FARGS, "Invalid value passed in GMX_NB_MIN_CI=%s, positive integer required", env);
2276             }
2277
2278             if (debug)
2279             {
2280                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (passed as env. var.)\n",
2281                         nbv->min_ci_balanced);
2282             }
2283         }
2284         else
2285         {
2286             nbv->min_ci_balanced = nbnxn_gpu_min_ci_balanced(nbv->gpu_nbv);
2287             if (debug)
2288             {
2289                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (auto-adjusted to the number of GPU multi-processors)\n",
2290                         nbv->min_ci_balanced);
2291             }
2292         }
2293
2294     }
2295
2296     *nb_verlet = nbv;
2297 }
2298
2299 gmx_bool usingGpu(nonbonded_verlet_t *nbv)
2300 {
2301     return nbv != NULL && nbv->bUseGPU;
2302 }
2303
2304 void init_forcerec(FILE              *fp,
2305                    const output_env_t oenv,
2306                    t_forcerec        *fr,
2307                    t_fcdata          *fcd,
2308                    const t_inputrec  *ir,
2309                    const gmx_mtop_t  *mtop,
2310                    const t_commrec   *cr,
2311                    matrix             box,
2312                    const char        *tabfn,
2313                    const char        *tabafn,
2314                    const char        *tabpfn,
2315                    const char        *tabbfn,
2316                    const char        *nbpu_opt,
2317                    gmx_bool           bNoSolvOpt,
2318                    real               print_force)
2319 {
2320     int            i, m, negp_pp, negptable, egi, egj;
2321     real           rtab;
2322     char          *env;
2323     double         dbl;
2324     const t_block *cgs;
2325     gmx_bool       bGenericKernelOnly;
2326     gmx_bool       bMakeTables, bMakeSeparate14Table, bSomeNormalNbListsAreInUse;
2327     gmx_bool       bFEP_NonBonded;
2328     int           *nm_ind, egp_flags;
2329
2330     if (fr->hwinfo == NULL)
2331     {
2332         /* Detect hardware, gather information.
2333          * In mdrun, hwinfo has already been set before calling init_forcerec.
2334          * Here we ignore GPUs, as tools will not use them anyhow.
2335          */
2336         fr->hwinfo = gmx_detect_hardware(fp, cr, FALSE);
2337     }
2338
2339     /* By default we turn SIMD kernels on, but it might be turned off further down... */
2340     fr->use_simd_kernels = TRUE;
2341
2342     fr->bDomDec = DOMAINDECOMP(cr);
2343
2344     if (check_box(ir->ePBC, box))
2345     {
2346         gmx_fatal(FARGS, check_box(ir->ePBC, box));
2347     }
2348
2349     /* Test particle insertion ? */
2350     if (EI_TPI(ir->eI))
2351     {
2352         /* Set to the size of the molecule to be inserted (the last one) */
2353         /* Because of old style topologies, we have to use the last cg
2354          * instead of the last molecule type.
2355          */
2356         cgs       = &mtop->moltype[mtop->molblock[mtop->nmolblock-1].type].cgs;
2357         fr->n_tpi = cgs->index[cgs->nr] - cgs->index[cgs->nr-1];
2358         if (fr->n_tpi != mtop->mols.index[mtop->mols.nr] - mtop->mols.index[mtop->mols.nr-1])
2359         {
2360             gmx_fatal(FARGS, "The molecule to insert can not consist of multiple charge groups.\nMake it a single charge group.");
2361         }
2362     }
2363     else
2364     {
2365         fr->n_tpi = 0;
2366     }
2367
2368     /* Copy AdResS parameters */
2369     if (ir->bAdress)
2370     {
2371         fr->adress_type           = ir->adress->type;
2372         fr->adress_const_wf       = ir->adress->const_wf;
2373         fr->adress_ex_width       = ir->adress->ex_width;
2374         fr->adress_hy_width       = ir->adress->hy_width;
2375         fr->adress_icor           = ir->adress->icor;
2376         fr->adress_site           = ir->adress->site;
2377         fr->adress_ex_forcecap    = ir->adress->ex_forcecap;
2378         fr->adress_do_hybridpairs = ir->adress->do_hybridpairs;
2379
2380
2381         snew(fr->adress_group_explicit, ir->adress->n_energy_grps);
2382         for (i = 0; i < ir->adress->n_energy_grps; i++)
2383         {
2384             fr->adress_group_explicit[i] = ir->adress->group_explicit[i];
2385         }
2386
2387         fr->n_adress_tf_grps = ir->adress->n_tf_grps;
2388         snew(fr->adress_tf_table_index, fr->n_adress_tf_grps);
2389         for (i = 0; i < fr->n_adress_tf_grps; i++)
2390         {
2391             fr->adress_tf_table_index[i] = ir->adress->tf_table_index[i];
2392         }
2393         copy_rvec(ir->adress->refs, fr->adress_refs);
2394     }
2395     else
2396     {
2397         fr->adress_type           = eAdressOff;
2398         fr->adress_do_hybridpairs = FALSE;
2399     }
2400
2401     /* Copy the user determined parameters */
2402     fr->userint1  = ir->userint1;
2403     fr->userint2  = ir->userint2;
2404     fr->userint3  = ir->userint3;
2405     fr->userint4  = ir->userint4;
2406     fr->userreal1 = ir->userreal1;
2407     fr->userreal2 = ir->userreal2;
2408     fr->userreal3 = ir->userreal3;
2409     fr->userreal4 = ir->userreal4;
2410
2411     /* Shell stuff */
2412     fr->fc_stepsize = ir->fc_stepsize;
2413
2414     /* Free energy */
2415     fr->efep        = ir->efep;
2416     fr->sc_alphavdw = ir->fepvals->sc_alpha;
2417     if (ir->fepvals->bScCoul)
2418     {
2419         fr->sc_alphacoul  = ir->fepvals->sc_alpha;
2420         fr->sc_sigma6_min = pow(ir->fepvals->sc_sigma_min, 6);
2421     }
2422     else
2423     {
2424         fr->sc_alphacoul  = 0;
2425         fr->sc_sigma6_min = 0; /* only needed when bScCoul is on */
2426     }
2427     fr->sc_power      = ir->fepvals->sc_power;
2428     fr->sc_r_power    = ir->fepvals->sc_r_power;
2429     fr->sc_sigma6_def = pow(ir->fepvals->sc_sigma, 6);
2430
2431     env = getenv("GMX_SCSIGMA_MIN");
2432     if (env != NULL)
2433     {
2434         dbl = 0;
2435         sscanf(env, "%20lf", &dbl);
2436         fr->sc_sigma6_min = pow(dbl, 6);
2437         if (fp)
2438         {
2439             fprintf(fp, "Setting the minimum soft core sigma to %g nm\n", dbl);
2440         }
2441     }
2442
2443     fr->bNonbonded = TRUE;
2444     if (getenv("GMX_NO_NONBONDED") != NULL)
2445     {
2446         /* turn off non-bonded calculations */
2447         fr->bNonbonded = FALSE;
2448         md_print_warn(cr, fp,
2449                       "Found environment variable GMX_NO_NONBONDED.\n"
2450                       "Disabling nonbonded calculations.\n");
2451     }
2452
2453     bGenericKernelOnly = FALSE;
2454
2455     /* We now check in the NS code whether a particular combination of interactions
2456      * can be used with water optimization, and disable it if that is not the case.
2457      */
2458
2459     if (getenv("GMX_NB_GENERIC") != NULL)
2460     {
2461         if (fp != NULL)
2462         {
2463             fprintf(fp,
2464                     "Found environment variable GMX_NB_GENERIC.\n"
2465                     "Disabling all interaction-specific nonbonded kernels, will only\n"
2466                     "use the slow generic ones in src/gmxlib/nonbonded/nb_generic.c\n\n");
2467         }
2468         bGenericKernelOnly = TRUE;
2469     }
2470
2471     if (bGenericKernelOnly == TRUE)
2472     {
2473         bNoSolvOpt         = TRUE;
2474     }
2475
2476     if ( (getenv("GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS") != NULL) || (getenv("GMX_NOOPTIMIZEDKERNELS") != NULL) )
2477     {
2478         fr->use_simd_kernels = FALSE;
2479         if (fp != NULL)
2480         {
2481             fprintf(fp,
2482                     "\nFound environment variable GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS.\n"
2483                     "Disabling the usage of any SIMD-specific non-bonded & bonded kernel routines\n"
2484                     "(e.g. SSE2/SSE4.1/AVX).\n\n");
2485         }
2486     }
2487
2488     fr->bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2489
2490     /* Check if we can/should do all-vs-all kernels */
2491     fr->bAllvsAll       = can_use_allvsall(ir, FALSE, NULL, NULL);
2492     fr->AllvsAll_work   = NULL;
2493     fr->AllvsAll_workgb = NULL;
2494
2495     /* All-vs-all kernels have not been implemented in 4.6 and later.
2496      * See Redmine #1249. */
2497     if (fr->bAllvsAll)
2498     {
2499         fr->bAllvsAll            = FALSE;
2500         if (fp != NULL)
2501         {
2502             fprintf(fp,
2503                     "\nYour simulation settings would have triggered the efficient all-vs-all\n"
2504                     "kernels in GROMACS 4.5, but these have not been implemented in GROMACS\n"
2505                     "4.6 and 5.x. If performance is important, please use GROMACS 4.5.7\n"
2506                     "or try cutoff-scheme = Verlet.\n\n");
2507         }
2508     }
2509
2510     /* Neighbour searching stuff */
2511     fr->cutoff_scheme = ir->cutoff_scheme;
2512     fr->bGrid         = (ir->ns_type == ensGRID);
2513     fr->ePBC          = ir->ePBC;
2514
2515     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2516     {
2517         const char *note = "NOTE: This file uses the deprecated 'group' cutoff_scheme. This will be\n"
2518             "removed in a future release when 'verlet' supports all interaction forms.\n";
2519
2520         if (MASTER(cr))
2521         {
2522             fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
2523         }
2524         if (fp != NULL)
2525         {
2526             fprintf(fp, "\n%s\n", note);
2527         }
2528     }
2529
2530     /* Determine if we will do PBC for distances in bonded interactions */
2531     if (fr->ePBC == epbcNONE)
2532     {
2533         fr->bMolPBC = FALSE;
2534     }
2535     else
2536     {
2537         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2538         {
2539             gmx_bool bSHAKE;
2540
2541             bSHAKE = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
2542                       (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) > 0 ||
2543                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC) > 0));
2544
2545             /* The group cut-off scheme and SHAKE assume charge groups
2546              * are whole, but not using molpbc is faster in most cases.
2547              * With intermolecular interactions we need PBC for calculating
2548              * distances between atoms in different molecules.
2549              */
2550             if ((fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP || bSHAKE) &&
2551                 !mtop->bIntermolecularInteractions)
2552             {
2553                 fr->bMolPBC = ir->bPeriodicMols;
2554
2555                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2556                 {
2557                     gmx_fatal(FARGS, "SHAKE is not supported with periodic molecules");
2558                 }
2559             }
2560             else
2561             {
2562                 fr->bMolPBC = TRUE;
2563
2564                 if (getenv("GMX_USE_GRAPH") != NULL)
2565                 {
2566                     fr->bMolPBC = FALSE;
2567                     if (fp)
2568                     {
2569                         md_print_warn(cr, fp, "GMX_USE_GRAPH is set, using the graph for bonded interactions\n");
2570                     }
2571
2572                     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2573                     {
2574                         md_print_warn(cr, fp, "WARNING: Molecules linked by intermolecular interactions have to reside in the same periodic image, otherwise artifacts will occur!\n");
2575                     }
2576                 }
2577
2578                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2579                 {
2580                     gmx_fatal(FARGS, "SHAKE is not properly supported with intermolecular interactions. For short simulations where linked molecules remain in the same periodic image, the environment variable GMX_USE_GRAPH can be used to override this check.\n");
2581                 }
2582             }
2583         }
2584         else
2585         {
2586             fr->bMolPBC = dd_bonded_molpbc(cr->dd, fr->ePBC);
2587         }
2588     }
2589     fr->bGB = (ir->implicit_solvent == eisGBSA);
2590
2591     fr->rc_scaling = ir->refcoord_scaling;
2592     copy_rvec(ir->posres_com, fr->posres_com);
2593     copy_rvec(ir->posres_comB, fr->posres_comB);
2594     fr->rlist                    = cutoff_inf(ir->rlist);
2595     fr->rlistlong                = cutoff_inf(ir->rlistlong);
2596     fr->eeltype                  = ir->coulombtype;
2597     fr->vdwtype                  = ir->vdwtype;
2598     fr->ljpme_combination_rule   = ir->ljpme_combination_rule;
2599
2600     fr->coulomb_modifier = ir->coulomb_modifier;
2601     fr->vdw_modifier     = ir->vdw_modifier;
2602
2603     /* Electrostatics: Translate from interaction-setting-in-mdp-file to kernel interaction format */
2604     switch (fr->eeltype)
2605     {
2606         case eelCUT:
2607             fr->nbkernel_elec_interaction = (fr->bGB) ? GMX_NBKERNEL_ELEC_GENERALIZEDBORN : GMX_NBKERNEL_ELEC_COULOMB;
2608             break;
2609
2610         case eelRF:
2611         case eelGRF:
2612         case eelRF_NEC:
2613             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2614             break;
2615
2616         case eelRF_ZERO:
2617             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2618             fr->coulomb_modifier          = eintmodEXACTCUTOFF;
2619             break;
2620
2621         case eelSWITCH:
2622         case eelSHIFT:
2623         case eelUSER:
2624         case eelENCADSHIFT:
2625         case eelPMESWITCH:
2626         case eelPMEUSER:
2627         case eelPMEUSERSWITCH:
2628             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2629             break;
2630
2631         case eelPME:
2632         case eelP3M_AD:
2633         case eelEWALD:
2634             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_EWALD;
2635             break;
2636
2637         default:
2638             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported electrostatic interaction: %s", eel_names[fr->eeltype]);
2639             break;
2640     }
2641
2642     /* Vdw: Translate from mdp settings to kernel format */
2643     switch (fr->vdwtype)
2644     {
2645         case evdwCUT:
2646             if (fr->bBHAM)
2647             {
2648                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_BUCKINGHAM;
2649             }
2650             else
2651             {
2652                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LENNARDJONES;
2653             }
2654             break;
2655         case evdwPME:
2656             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LJEWALD;
2657             break;
2658
2659         case evdwSWITCH:
2660         case evdwSHIFT:
2661         case evdwUSER:
2662         case evdwENCADSHIFT:
2663             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2664             break;
2665
2666         default:
2667             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported vdw interaction: %s", evdw_names[fr->vdwtype]);
2668             break;
2669     }
2670
2671     /* These start out identical to ir, but might be altered if we e.g. tabulate the interaction in the kernel */
2672     fr->nbkernel_elec_modifier    = fr->coulomb_modifier;
2673     fr->nbkernel_vdw_modifier     = fr->vdw_modifier;
2674
2675     fr->rvdw             = cutoff_inf(ir->rvdw);
2676     fr->rvdw_switch      = ir->rvdw_switch;
2677     fr->rcoulomb         = cutoff_inf(ir->rcoulomb);
2678     fr->rcoulomb_switch  = ir->rcoulomb_switch;
2679
2680     fr->bTwinRange = fr->rlistlong > fr->rlist;
2681     fr->bEwald     = (EEL_PME(fr->eeltype) || fr->eeltype == eelEWALD);
2682
2683     fr->reppow     = mtop->ffparams.reppow;
2684
2685     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2686     {
2687         fr->bvdwtab    = ((fr->vdwtype != evdwCUT || !gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2688                           && !EVDW_PME(fr->vdwtype));
2689         /* We have special kernels for standard Ewald and PME, but the pme-switch ones are tabulated above */
2690         fr->bcoultab   = !(fr->eeltype == eelCUT ||
2691                            fr->eeltype == eelEWALD ||
2692                            fr->eeltype == eelPME ||
2693                            fr->eeltype == eelRF ||
2694                            fr->eeltype == eelRF_ZERO);
2695
2696         /* If the user absolutely wants different switch/shift settings for coul/vdw, it is likely
2697          * going to be faster to tabulate the interaction than calling the generic kernel.
2698          * However, if generic kernels have been requested we keep things analytically.
2699          */
2700         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2701             fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2702             bGenericKernelOnly == FALSE)
2703         {
2704             if ((fr->rcoulomb_switch != fr->rvdw_switch) || (fr->rcoulomb != fr->rvdw))
2705             {
2706                 fr->bcoultab = TRUE;
2707                 /* Once we tabulate electrostatics, we can use the switch function for LJ,
2708                  * which would otherwise need two tables.
2709                  */
2710             }
2711         }
2712         else if ((fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSHIFT && fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) ||
2713                  ((fr->nbkernel_elec_interaction == GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD &&
2714                    fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodEXACTCUTOFF &&
2715                    (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT))))
2716         {
2717             if ((fr->rcoulomb != fr->rvdw) && (bGenericKernelOnly == FALSE))
2718             {
2719                 fr->bcoultab = TRUE;
2720             }
2721         }
2722
2723         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2724         {
2725             fr->bcoultab = TRUE;
2726         }
2727         if (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2728         {
2729             fr->bvdwtab = TRUE;
2730         }
2731
2732         if (getenv("GMX_REQUIRE_TABLES"))
2733         {
2734             fr->bvdwtab  = TRUE;
2735             fr->bcoultab = TRUE;
2736         }
2737
2738         if (fp)
2739         {
2740             fprintf(fp, "Table routines are used for coulomb: %s\n", bool_names[fr->bcoultab]);
2741             fprintf(fp, "Table routines are used for vdw:     %s\n", bool_names[fr->bvdwtab ]);
2742         }
2743
2744         if (fr->bvdwtab == TRUE)
2745         {
2746             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2747             fr->nbkernel_vdw_modifier    = eintmodNONE;
2748         }
2749         if (fr->bcoultab == TRUE)
2750         {
2751             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2752             fr->nbkernel_elec_modifier    = eintmodNONE;
2753         }
2754     }
2755
2756     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2757     {
2758         if (!gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2759         {
2760             gmx_fatal(FARGS, "Cut-off scheme %S only supports LJ repulsion power 12", ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2761         }
2762         fr->bvdwtab  = FALSE;
2763         fr->bcoultab = FALSE;
2764     }
2765
2766     /* Tables are used for direct ewald sum */
2767     if (fr->bEwald)
2768     {
2769         if (EEL_PME(ir->coulombtype))
2770         {
2771             if (fp)
2772             {
2773                 fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for electrostatic interactions.\n");
2774             }
2775             if (ir->coulombtype == eelP3M_AD)
2776             {
2777                 please_cite(fp, "Hockney1988");
2778                 please_cite(fp, "Ballenegger2012");
2779             }
2780             else
2781             {
2782                 please_cite(fp, "Essmann95a");
2783             }
2784
2785             if (ir->ewald_geometry == eewg3DC)
2786             {
2787                 if (fp)
2788                 {
2789                     fprintf(fp, "Using the Ewald3DC correction for systems with a slab geometry.\n");
2790                 }
2791                 please_cite(fp, "In-Chul99a");
2792             }
2793         }
2794         fr->ewaldcoeff_q = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
2795         init_ewald_tab(&(fr->ewald_table), ir, fp);
2796         if (fp)
2797         {
2798             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for Ewald\n",
2799                     1/fr->ewaldcoeff_q);
2800         }
2801     }
2802
2803     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
2804     {
2805         if (fp)
2806         {
2807             fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for LJ dispersion interactions.\n");
2808         }
2809         please_cite(fp, "Essmann95a");
2810         fr->ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
2811         if (fp)
2812         {
2813             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for LJ Ewald\n",
2814                     1/fr->ewaldcoeff_lj);
2815         }
2816     }
2817
2818     /* Electrostatics */
2819     fr->epsilon_r       = ir->epsilon_r;
2820     fr->epsilon_rf      = ir->epsilon_rf;
2821     fr->fudgeQQ         = mtop->ffparams.fudgeQQ;
2822
2823     /* Parameters for generalized RF */
2824     fr->zsquare = 0.0;
2825     fr->temp    = 0.0;
2826
2827     if (fr->eeltype == eelGRF)
2828     {
2829         init_generalized_rf(fp, mtop, ir, fr);
2830     }
2831
2832     fr->bF_NoVirSum = (EEL_FULL(fr->eeltype) || EVDW_PME(fr->vdwtype) ||
2833                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_POSRES) > 0 ||
2834                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_FBPOSRES) > 0 ||
2835                        IR_ELEC_FIELD(*ir) ||
2836                        (fr->adress_icor != eAdressICOff)
2837                        );
2838
2839     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2840         ncg_mtop(mtop) > fr->cg_nalloc && !DOMAINDECOMP(cr))
2841     {
2842         /* Count the total number of charge groups */
2843         fr->cg_nalloc = ncg_mtop(mtop);
2844         srenew(fr->cg_cm, fr->cg_nalloc);
2845     }
2846     if (fr->shift_vec == NULL)
2847     {
2848         snew(fr->shift_vec, SHIFTS);
2849     }
2850
2851     if (fr->fshift == NULL)
2852     {
2853         snew(fr->fshift, SHIFTS);
2854     }
2855
2856     if (fr->nbfp == NULL)
2857     {
2858         fr->ntype = mtop->ffparams.atnr;
2859         fr->nbfp  = mk_nbfp(&mtop->ffparams, fr->bBHAM);
2860         if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
2861         {
2862             fr->ljpme_c6grid  = make_ljpme_c6grid(&mtop->ffparams, fr);
2863         }
2864     }
2865
2866     /* Copy the energy group exclusions */
2867     fr->egp_flags = ir->opts.egp_flags;
2868
2869     /* Van der Waals stuff */
2870     if ((fr->vdwtype != evdwCUT) && (fr->vdwtype != evdwUSER) && !fr->bBHAM)
2871     {
2872         if (fr->rvdw_switch >= fr->rvdw)
2873         {
2874             gmx_fatal(FARGS, "rvdw_switch (%f) must be < rvdw (%f)",
2875                       fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2876         }
2877         if (fp)
2878         {
2879             fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones, switch between %g and %g nm\n",
2880                     (fr->eeltype == eelSWITCH) ? "switched" : "shifted",
2881                     fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2882         }
2883     }
2884
2885     if (fr->bBHAM && EVDW_PME(fr->vdwtype))
2886     {
2887         gmx_fatal(FARGS, "LJ PME not supported with Buckingham");
2888     }
2889
2890     if (fr->bBHAM && (fr->vdwtype == evdwSHIFT || fr->vdwtype == evdwSWITCH))
2891     {
2892         gmx_fatal(FARGS, "Switch/shift interaction not supported with Buckingham");
2893     }
2894
2895     if (fr->bBHAM && fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2896     {
2897         gmx_fatal(FARGS, "Verlet cutoff-scheme is not supported with Buckingham");
2898     }
2899
2900     if (fp)
2901     {
2902         fprintf(fp, "Cut-off's:   NS: %g   Coulomb: %g   %s: %g\n",
2903                 fr->rlist, fr->rcoulomb, fr->bBHAM ? "BHAM" : "LJ", fr->rvdw);
2904     }
2905
2906     fr->eDispCorr = ir->eDispCorr;
2907     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
2908     {
2909         set_avcsixtwelve(fp, fr, mtop);
2910     }
2911
2912     if (fr->bBHAM)
2913     {
2914         set_bham_b_max(fp, fr, mtop);
2915     }
2916
2917     fr->gb_epsilon_solvent = ir->gb_epsilon_solvent;
2918
2919     /* Copy the GBSA data (radius, volume and surftens for each
2920      * atomtype) from the topology atomtype section to forcerec.
2921      */
2922     snew(fr->atype_radius, fr->ntype);
2923     snew(fr->atype_vol, fr->ntype);
2924     snew(fr->atype_surftens, fr->ntype);
2925     snew(fr->atype_gb_radius, fr->ntype);
2926     snew(fr->atype_S_hct, fr->ntype);
2927
2928     if (mtop->atomtypes.nr > 0)
2929     {
2930         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2931         {
2932             fr->atype_radius[i] = mtop->atomtypes.radius[i];
2933         }
2934         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2935         {
2936             fr->atype_vol[i] = mtop->atomtypes.vol[i];
2937         }
2938         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2939         {
2940             fr->atype_surftens[i] = mtop->atomtypes.surftens[i];
2941         }
2942         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2943         {
2944             fr->atype_gb_radius[i] = mtop->atomtypes.gb_radius[i];
2945         }
2946         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2947         {
2948             fr->atype_S_hct[i] = mtop->atomtypes.S_hct[i];
2949         }
2950     }
2951
2952     /* Generate the GB table if needed */
2953     if (fr->bGB)
2954     {
2955 #ifdef GMX_DOUBLE
2956         fr->gbtabscale = 2000;
2957 #else
2958         fr->gbtabscale = 500;
2959 #endif
2960
2961         fr->gbtabr = 100;
2962         fr->gbtab  = make_gb_table(oenv, fr);
2963
2964         init_gb(&fr->born, fr, ir, mtop, ir->gb_algorithm);
2965
2966         /* Copy local gb data (for dd, this is done in dd_partition_system) */
2967         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2968         {
2969             make_local_gb(cr, fr->born, ir->gb_algorithm);
2970         }
2971     }
2972
2973     /* Set the charge scaling */
2974     if (fr->epsilon_r != 0)
2975     {
2976         fr->epsfac = ONE_4PI_EPS0/fr->epsilon_r;
2977     }
2978     else
2979     {
2980         /* eps = 0 is infinite dieletric: no coulomb interactions */
2981         fr->epsfac = 0;
2982     }
2983
2984     /* Reaction field constants */
2985     if (EEL_RF(fr->eeltype))
2986     {
2987         calc_rffac(fp, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
2988                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
2989                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->c_rf);
2990     }
2991
2992     /*This now calculates sum for q and c6*/
2993     set_chargesum(fp, fr, mtop);
2994
2995     /* if we are using LR electrostatics, and they are tabulated,
2996      * the tables will contain modified coulomb interactions.
2997      * Since we want to use the non-shifted ones for 1-4
2998      * coulombic interactions, we must have an extra set of tables.
2999      */
3000
3001     /* Construct tables.
3002      * A little unnecessary to make both vdw and coul tables sometimes,
3003      * but what the heck... */
3004
3005     bMakeTables = fr->bcoultab || fr->bvdwtab || fr->bEwald ||
3006         (ir->eDispCorr != edispcNO && ir_vdw_switched(ir));
3007
3008     bMakeSeparate14Table = ((!bMakeTables || fr->eeltype != eelCUT || fr->vdwtype != evdwCUT ||
3009                              fr->coulomb_modifier != eintmodNONE ||
3010                              fr->vdw_modifier != eintmodNONE ||
3011                              fr->bBHAM || fr->bEwald) &&
3012                             (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJ14) > 0 ||
3013                              gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC14_Q) > 0 ||
3014                              gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC_PAIRS_NB) > 0));
3015
3016     negp_pp   = ir->opts.ngener - ir->nwall;
3017     negptable = 0;
3018     if (!bMakeTables)
3019     {
3020         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
3021         fr->nnblists               = 1;
3022     }
3023     else
3024     {
3025         bSomeNormalNbListsAreInUse = (ir->eDispCorr != edispcNO);
3026         for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
3027         {
3028             for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
3029             {
3030                 egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
3031                 if (!(egp_flags & EGP_EXCL))
3032                 {
3033                     if (egp_flags & EGP_TABLE)
3034                     {
3035                         negptable++;
3036                     }
3037                     else
3038                     {
3039                         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
3040                     }
3041                 }
3042             }
3043         }
3044         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
3045         {
3046             fr->nnblists = negptable + 1;
3047         }
3048         else
3049         {
3050             fr->nnblists = negptable;
3051         }
3052         if (fr->nnblists > 1)
3053         {
3054             snew(fr->gid2nblists, ir->opts.ngener*ir->opts.ngener);
3055         }
3056     }
3057
3058     if (ir->adress)
3059     {
3060         fr->nnblists *= 2;
3061     }
3062
3063     snew(fr->nblists, fr->nnblists);
3064
3065     /* This code automatically gives table length tabext without cut-off's,
3066      * in that case grompp should already have checked that we do not need
3067      * normal tables and we only generate tables for 1-4 interactions.
3068      */
3069     rtab = ir->rlistlong + ir->tabext;
3070
3071     if (bMakeTables)
3072     {
3073         /* make tables for ordinary interactions */
3074         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
3075         {
3076             make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn, NULL, NULL, &fr->nblists[0]);
3077             if (ir->adress)
3078             {
3079                 make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn, NULL, NULL, &fr->nblists[fr->nnblists/2]);
3080             }
3081             if (!bMakeSeparate14Table)
3082             {
3083                 fr->tab14 = fr->nblists[0].table_elec_vdw;
3084             }
3085             m = 1;
3086         }
3087         else
3088         {
3089             m = 0;
3090         }
3091         if (negptable > 0)
3092         {
3093             /* Read the special tables for certain energy group pairs */
3094             nm_ind = mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind;
3095             for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
3096             {
3097                 for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
3098                 {
3099                     egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
3100                     if ((egp_flags & EGP_TABLE) && !(egp_flags & EGP_EXCL))
3101                     {
3102                         if (fr->nnblists > 1)
3103                         {
3104                             fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = m;
3105                         }
3106                         /* Read the table file with the two energy groups names appended */
3107                         make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn,
3108                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
3109                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
3110                                         &fr->nblists[m]);
3111                         if (ir->adress)
3112                         {
3113                             make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn,
3114                                             *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
3115                                             *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
3116                                             &fr->nblists[fr->nnblists/2+m]);
3117                         }
3118                         m++;
3119                     }
3120                     else if (fr->nnblists > 1)
3121                     {
3122                         fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = 0;
3123                     }
3124                 }
3125             }
3126         }
3127     }
3128     else if ((fr->eDispCorr != edispcNO) &&
3129              ((fr->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH) ||
3130               (fr->vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH) ||
3131               (fr->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)))
3132     {
3133         /* Tables might not be used for the potential modifier interactions per se, but
3134          * we still need them to evaluate switch/shift dispersion corrections in this case.
3135          */
3136         make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn, NULL, NULL, &fr->nblists[0]);
3137     }
3138
3139     if (bMakeSeparate14Table)
3140     {
3141         /* generate extra tables with plain Coulomb for 1-4 interactions only */
3142         fr->tab14 = make_tables(fp, oenv, fr, MASTER(cr), tabpfn, rtab,
3143                                 GMX_MAKETABLES_14ONLY);
3144     }
3145
3146     /* Read AdResS Thermo Force table if needed */
3147     if (fr->adress_icor == eAdressICThermoForce)
3148     {
3149         /* old todo replace */
3150
3151         if (ir->adress->n_tf_grps > 0)
3152         {
3153             make_adress_tf_tables(fp, oenv, fr, ir, tabfn, mtop, box);
3154
3155         }
3156         else
3157         {
3158             /* load the default table */
3159             snew(fr->atf_tabs, 1);
3160             fr->atf_tabs[DEFAULT_TF_TABLE] = make_atf_table(fp, oenv, fr, tabafn, box);
3161         }
3162     }
3163
3164     /* Wall stuff */
3165     fr->nwall = ir->nwall;
3166     if (ir->nwall && ir->wall_type == ewtTABLE)
3167     {
3168         make_wall_tables(fp, oenv, ir, tabfn, &mtop->groups, fr);
3169     }
3170
3171     if (fcd && tabbfn)
3172     {
3173         fcd->bondtab  = make_bonded_tables(fp,
3174                                            F_TABBONDS, F_TABBONDSNC,
3175                                            mtop, tabbfn, "b");
3176         fcd->angletab = make_bonded_tables(fp,
3177                                            F_TABANGLES, -1,
3178                                            mtop, tabbfn, "a");
3179         fcd->dihtab   = make_bonded_tables(fp,
3180                                            F_TABDIHS, -1,
3181                                            mtop, tabbfn, "d");
3182     }
3183     else
3184     {
3185         if (debug)
3186         {
3187             fprintf(debug, "No fcdata or table file name passed, can not read table, can not do bonded interactions\n");
3188         }
3189     }
3190
3191     /* QM/MM initialization if requested
3192      */
3193     if (ir->bQMMM)
3194     {
3195         fprintf(stderr, "QM/MM calculation requested.\n");
3196     }
3197
3198     fr->bQMMM      = ir->bQMMM;
3199     fr->qr         = mk_QMMMrec();
3200
3201     /* Set all the static charge group info */
3202     fr->cginfo_mb = init_cginfo_mb(fp, mtop, fr, bNoSolvOpt,
3203                                    &bFEP_NonBonded,
3204                                    &fr->bExcl_IntraCGAll_InterCGNone);
3205     if (DOMAINDECOMP(cr))
3206     {
3207         fr->cginfo = NULL;
3208     }
3209     else
3210     {
3211         fr->cginfo = cginfo_expand(mtop->nmolblock, fr->cginfo_mb);
3212     }
3213
3214     if (!DOMAINDECOMP(cr))
3215     {
3216         forcerec_set_ranges(fr, ncg_mtop(mtop), ncg_mtop(mtop),
3217                             mtop->natoms, mtop->natoms, mtop->natoms);
3218     }
3219
3220     fr->print_force = print_force;
3221
3222
3223     /* coarse load balancing vars */
3224     fr->t_fnbf    = 0.;
3225     fr->t_wait    = 0.;
3226     fr->timesteps = 0;
3227
3228     /* Initialize neighbor search */
3229     init_ns(fp, cr, &fr->ns, fr, mtop);
3230
3231     if (cr->duty & DUTY_PP)
3232     {
3233         gmx_nonbonded_setup(fr, bGenericKernelOnly);
3234         /*
3235            if (ir->bAdress)
3236             {
3237                 gmx_setup_adress_kernels(fp,bGenericKernelOnly);
3238             }
3239          */
3240     }
3241
3242     /* Initialize the thread working data for bonded interactions */
3243     init_bonded_threading(fp, fr, mtop->groups.grps[egcENER].nr);
3244
3245     snew(fr->excl_load, fr->nthreads+1);
3246
3247     /* fr->ic is used both by verlet and group kernels (to some extent) now */
3248     init_interaction_const(fp, &fr->ic, fr);
3249     init_interaction_const_tables(fp, fr->ic, rtab);
3250
3251     if (fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
3252     {
3253         if (ir->rcoulomb != ir->rvdw)
3254         {
3255             gmx_fatal(FARGS, "With Verlet lists rcoulomb and rvdw should be identical");
3256         }
3257
3258         init_nb_verlet(fp, &fr->nbv, bFEP_NonBonded, ir, fr, cr, nbpu_opt);
3259     }
3260
3261     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
3262     {
3263         calc_enervirdiff(fp, ir->eDispCorr, fr);
3264     }
3265 }
3266
3267 #define pr_real(fp, r) fprintf(fp, "%s: %e\n",#r, r)
3268 #define pr_int(fp, i)  fprintf((fp), "%s: %d\n",#i, i)
3269 #define pr_bool(fp, b) fprintf((fp), "%s: %s\n",#b, bool_names[b])
3270
3271 void pr_forcerec(FILE *fp, t_forcerec *fr)
3272 {
3273     int i;
3274
3275     pr_real(fp, fr->rlist);
3276     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3277     pr_real(fp, fr->fudgeQQ);
3278     pr_bool(fp, fr->bGrid);
3279     pr_bool(fp, fr->bTwinRange);
3280     /*pr_int(fp,fr->cg0);
3281        pr_int(fp,fr->hcg);*/
3282     for (i = 0; i < fr->nnblists; i++)
3283     {
3284         pr_int(fp, fr->nblists[i].table_elec_vdw.n);
3285     }
3286     pr_real(fp, fr->rcoulomb_switch);
3287     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3288
3289     fflush(fp);
3290 }
3291
3292 void forcerec_set_excl_load(t_forcerec           *fr,
3293                             const gmx_localtop_t *top)
3294 {
3295     const int *ind, *a;
3296     int        t, i, j, ntot, n, ntarget;
3297
3298     ind = top->excls.index;
3299     a   = top->excls.a;
3300
3301     ntot = 0;
3302     for (i = 0; i < top->excls.nr; i++)
3303     {
3304         for (j = ind[i]; j < ind[i+1]; j++)
3305         {
3306             if (a[j] > i)
3307             {
3308                 ntot++;
3309             }
3310         }
3311     }
3312
3313     fr->excl_load[0] = 0;
3314     n                = 0;
3315     i                = 0;
3316     for (t = 1; t <= fr->nthreads; t++)
3317     {
3318         ntarget = (ntot*t)/fr->nthreads;
3319         while (i < top->excls.nr && n < ntarget)
3320         {
3321             for (j = ind[i]; j < ind[i+1]; j++)
3322             {
3323                 if (a[j] > i)
3324                 {
3325                     n++;
3326                 }
3327             }
3328             i++;
3329         }
3330         fr->excl_load[t] = i;
3331     }
3332 }
3333
3334 /* Frees GPU memory and destroys the GPU context.
3335  *
3336  * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
3337  * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
3338  * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
3339  */
3340 void free_gpu_resources(const t_forcerec     *fr,
3341                         const t_commrec      *cr,
3342                         const gmx_gpu_info_t *gpu_info,
3343                         const gmx_gpu_opt_t  *gpu_opt)
3344 {
3345     gmx_bool bIsPPrankUsingGPU;
3346     char     gpu_err_str[STRLEN];
3347
3348     bIsPPrankUsingGPU = (cr->duty & DUTY_PP) && fr && fr->nbv && fr->nbv->bUseGPU;
3349
3350     if (bIsPPrankUsingGPU)
3351     {
3352         /* free nbnxn data in GPU memory */
3353         nbnxn_gpu_free(fr->nbv->gpu_nbv);
3354
3355         /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
3356          * destroying the context in free_gpu() as some ranks may be sharing
3357          * GPU and context.
3358          * Note: as only PP ranks need to free GPU resources, so it is safe to
3359          * not call the barrier on PME ranks.
3360          */
3361 #ifdef GMX_THREAD_MPI
3362         if (PAR(cr))
3363         {
3364             gmx_barrier(cr);
3365         }
3366 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
3367
3368         /* uninitialize GPU (by destroying the context) */
3369         if (!free_cuda_gpu(cr->rank_pp_intranode, gpu_err_str, gpu_info, gpu_opt))
3370         {
3371             gmx_warning("On rank %d failed to free GPU #%d: %s",
3372                         cr->nodeid, get_current_cuda_gpu_device_id(), gpu_err_str);
3373         }
3374     }
3375 }