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) 2013,2014,2015,2016,2017,2018, 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 "forcerec.h"
  40
  41 #include "config.h"
  42
  43 #include <assert.h>
  44 #include <stdlib.h>
  45 #include <string.h>
  46
  47 #include <cmath>
  48
  49 #include <algorithm>
  50
  51 #include "gromacs/commandline/filenm.h"
  52 #include "gromacs/compat/make_unique.h"
  53 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  54 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  55 #include "gromacs/ewald/ewald.h"
  56 #include "gromacs/ewald/ewald-utils.h"
  57 #include "gromacs/fileio/filetypes.h"
  58 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  59 #include "gromacs/gmxlib/nonbonded/nonbonded.h"
  60 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
  61 #include "gromacs/hardware/hw_info.h"
  62 #include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
  63 #include "gromacs/listed-forces/pairs.h"
  64 #include "gromacs/math/functions.h"
  65 #include "gromacs/math/units.h"
  66 #include "gromacs/math/utilities.h"
  67 #include "gromacs/math/vec.h"
  68 #include "gromacs/mdlib/force.h"
  69 #include "gromacs/mdlib/forcerec-threading.h"
  70 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  71 #include "gromacs/mdlib/md_support.h"
  72 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
  73 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.h"
  74 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
  75 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_internal.h"
  76 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
  77 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
  78 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_tuning.h"
  79 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_util.h"
  80 #include "gromacs/mdlib/ns.h"
  81 #include "gromacs/mdlib/qmmm.h"
  82 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  83 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  84 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
  85 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  86 #include "gromacs/mdtypes/iforceprovider.h"
  87 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  88 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  89 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  90 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  91 #include "gromacs/simd/simd.h"
  92 #include "gromacs/tables/forcetable.h"
  93 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  94 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
  95 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  96 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  97 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  98 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  99 #include "gromacs/utility/logger.h"
 100 #include "gromacs/utility/physicalnodecommunicator.h"
 101 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
 102 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
 103 #include "gromacs/utility/strconvert.h"
 104
 105 #include "nbnxn_gpu_jit_support.h"
 106
 107 const char *egrp_nm[egNR+1] = {
 108     "Coul-SR", "LJ-SR", "Buck-SR",
 109     "Coul-14", "LJ-14", nullptr
 110 };
 111
 112 t_forcerec *mk_forcerec(void)
 113 {
 114     t_forcerec *fr;
 115
 116     snew(fr, 1);
 117
 118     return fr;
 119 }
 120
 121 static real *mk_nbfp(const gmx_ffparams_t *idef, gmx_bool bBHAM)
 122 {
 123     real *nbfp;
 124     int   i, j, k, atnr;
 125
 126     atnr = idef->atnr;
 127     if (bBHAM)
 128     {
 129         snew(nbfp, 3*atnr*atnr);
 130         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 131         {
 132             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 133             {
 134                 BHAMA(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.a;
 135                 BHAMB(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.b;
 136                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
 137                 BHAMC(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.c*6.0;
 138             }
 139         }
 140     }
 141     else
 142     {
 143         snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 144         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 145         {
 146             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 147             {
 148                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
 149                 C6(nbfp, atnr, i, j)   = idef->iparams[k].lj.c6*6.0;
 150                 C12(nbfp, atnr, i, j)  = idef->iparams[k].lj.c12*12.0;
 151             }
 152         }
 153     }
 154
 155     return nbfp;
 156 }
 157
 158 static real *make_ljpme_c6grid(const gmx_ffparams_t *idef, t_forcerec *fr)
 159 {
 160     int        i, j, k, atnr;
 161     real       c6, c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 162     real      *grid;
 163
 164     /* For LJ-PME simulations, we correct the energies with the reciprocal space
 165      * inside of the cut-off. To do this the non-bonded kernels needs to have
 166      * access to the C6-values used on the reciprocal grid in pme.c
 167      */
 168
 169     atnr = idef->atnr;
 170     snew(grid, 2*atnr*atnr);
 171     for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 172     {
 173         for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 174         {
 175             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 176             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 177             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 178             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 179             c6   = std::sqrt(c6i * c6j);
 180             if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB
 181                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12i) && !gmx_numzero(c12j))
 182             {
 183                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 184                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 185                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 186                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 187                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 188             }
 189             /* Store the elements at the same relative positions as C6 in nbfp in order
 190              * to simplify access in the kernels
 191              */
 192             grid[2*(atnr*i+j)] = c6*6.0;
 193         }
 194     }
 195     return grid;
 196 }
 197
 198 static real *mk_nbfp_combination_rule(const gmx_ffparams_t *idef, int comb_rule)
 199 {
 200     real      *nbfp;
 201     int        i, j, atnr;
 202     real       c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 203     real       c6, c12;
 204
 205     atnr = idef->atnr;
 206     snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 207     for (i = 0; i < atnr; ++i)
 208     {
 209         for (j = 0; j < atnr; ++j)
 210         {
 211             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 212             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 213             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 214             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 215             c6   = std::sqrt(c6i  * c6j);
 216             c12  = std::sqrt(c12i * c12j);
 217             if (comb_rule == eCOMB_ARITHMETIC
 218                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12))
 219             {
 220                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 221                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 222                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 223                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 224                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 225                 c12    = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power12(0.5*(sigmai+sigmaj));
 226             }
 227             C6(nbfp, atnr, i, j)   = c6*6.0;
 228             C12(nbfp, atnr, i, j)  = c12*12.0;
 229         }
 230     }
 231     return nbfp;
 232 }
 233
 234 /* This routine sets fr->solvent_opt to the most common solvent in the
 235  * system, e.g. esolSPC or esolTIP4P. It will also mark each charge group in
 236  * the fr->solvent_type array with the correct type (or esolNO).
 237  *
 238  * Charge groups that fulfill the conditions but are not identical to the
 239  * most common one will be marked as esolNO in the solvent_type array.
 240  *
 241  * TIP3p is identical to SPC for these purposes, so we call it
 242  * SPC in the arrays (Apologies to Bill Jorgensen ;-)
 243  *
 244  * NOTE: QM particle should not
 245  * become an optimized solvent. Not even if there is only one charge
 246  * group in the Qm
 247  */
 248
 249 typedef struct
 250 {
 251     int    model;
 252     int    count;
 253     int    vdwtype[4];
 254     real   charge[4];
 255 } solvent_parameters_t;
 256
 257 static void
 258 check_solvent_cg(const gmx_moltype_t    *molt,
 259                  int                     cg0,
 260                  int                     nmol,
 261                  const unsigned char    *qm_grpnr,
 262                  const t_grps           *qm_grps,
 263                  t_forcerec   *          fr,
 264                  int                    *n_solvent_parameters,
 265                  solvent_parameters_t  **solvent_parameters_p,
 266                  int                     cginfo,
 267                  int                    *cg_sp)
 268 {
 269     t_atom               *atom;
 270     int                   j, k;
 271     int                   j0, j1, nj;
 272     gmx_bool              perturbed;
 273     gmx_bool              has_vdw[4];
 274     gmx_bool              match;
 275     real                  tmp_charge[4]  = { 0.0 }; /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 276     int                   tmp_vdwtype[4] = { 0 };   /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 277     int                   tjA;
 278     gmx_bool              qm;
 279     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 280
 281     /* We use a list with parameters for each solvent type.
 282      * Every time we discover a new molecule that fulfills the basic
 283      * conditions for a solvent we compare with the previous entries
 284      * in these lists. If the parameters are the same we just increment
 285      * the counter for that type, and otherwise we create a new type
 286      * based on the current molecule.
 287      *
 288      * Once we've finished going through all molecules we check which
 289      * solvent is most common, and mark all those molecules while we
 290      * clear the flag on all others.
 291      */
 292
 293     solvent_parameters = *solvent_parameters_p;
 294
 295     /* Mark the cg first as non optimized */
 296     *cg_sp = -1;
 297
 298     /* Check if this cg has no exclusions with atoms in other charge groups
 299      * and all atoms inside the charge group excluded.
 300      * We only have 3 or 4 atom solvent loops.
 301      */
 302     if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo) ||
 303         !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo))
 304     {
 305         return;
 306     }
 307
 308     /* Get the indices of the first atom in this charge group */
 309     j0     = molt->cgs.index[cg0];
 310     j1     = molt->cgs.index[cg0+1];
 311
 312     /* Number of atoms in our molecule */
 313     nj     = j1 - j0;
 314
 315     if (debug)
 316     {
 317         fprintf(debug,
 318                 "Moltype '%s': there are %d atoms in this charge group\n",
 319                 *molt->name, nj);
 320     }
 321
 322     /* Check if it could be an SPC (3 atoms) or TIP4p (4) water,
 323      * otherwise skip it.
 324      */
 325     if (nj < 3 || nj > 4)
 326     {
 327         return;
 328     }
 329
 330     /* Check if we are doing QM on this group */
 331     qm = FALSE;
 332     if (qm_grpnr != nullptr)
 333     {
 334         for (j = j0; j < j1 && !qm; j++)
 335         {
 336             qm = (qm_grpnr[j] < qm_grps->nr - 1);
 337         }
 338     }
 339     /* Cannot use solvent optimization with QM */
 340     if (qm)
 341     {
 342         return;
 343     }
 344
 345     atom = molt->atoms.atom;
 346
 347     /* Still looks like a solvent, time to check parameters */
 348
 349     /* If it is perturbed (free energy) we can't use the solvent loops,
 350      * so then we just skip to the next molecule.
 351      */
 352     perturbed = FALSE;
 353
 354     for (j = j0; j < j1 && !perturbed; j++)
 355     {
 356         perturbed = PERTURBED(atom[j]);
 357     }
 358
 359     if (perturbed)
 360     {
 361         return;
 362     }
 363
 364     /* Now it's only a question if the VdW and charge parameters
 365      * are OK. Before doing the check we compare and see if they are
 366      * identical to a possible previous solvent type.
 367      * First we assign the current types and charges.
 368      */
 369     for (j = 0; j < nj; j++)
 370     {
 371         tmp_vdwtype[j] = atom[j0+j].type;
 372         tmp_charge[j]  = atom[j0+j].q;
 373     }
 374
 375     /* Does it match any previous solvent type? */
 376     for (k = 0; k < *n_solvent_parameters; k++)
 377     {
 378         match = TRUE;
 379
 380
 381         /* We can only match SPC with 3 atoms and TIP4p with 4 atoms */
 382         if ( (solvent_parameters[k].model == esolSPC   && nj != 3)  ||
 383              (solvent_parameters[k].model == esolTIP4P && nj != 4) )
 384         {
 385             match = FALSE;
 386         }
 387
 388         /* Check that types & charges match for all atoms in molecule */
 389         for (j = 0; j < nj && match == TRUE; j++)
 390         {
 391             if (tmp_vdwtype[j] != solvent_parameters[k].vdwtype[j])
 392             {
 393                 match = FALSE;
 394             }
 395             if (tmp_charge[j] != solvent_parameters[k].charge[j])
 396             {
 397                 match = FALSE;
 398             }
 399         }
 400         if (match == TRUE)
 401         {
 402             /* Congratulations! We have a matched solvent.
 403              * Flag it with this type for later processing.
 404              */
 405             *cg_sp = k;
 406             solvent_parameters[k].count += nmol;
 407
 408             /* We are done with this charge group */
 409             return;
 410         }
 411     }
 412
 413     /* If we get here, we have a tentative new solvent type.
 414      * Before we add it we must check that it fulfills the requirements
 415      * of the solvent optimized loops. First determine which atoms have
 416      * VdW interactions.
 417      */
 418     for (j = 0; j < nj; j++)
 419     {
 420         has_vdw[j] = FALSE;
 421         tjA        = tmp_vdwtype[j];
 422
 423         /* Go through all other tpes and see if any have non-zero
 424          * VdW parameters when combined with this one.
 425          */
 426         for (k = 0; k < fr->ntype && (has_vdw[j] == FALSE); k++)
 427         {
 428             /* We already checked that the atoms weren't perturbed,
 429              * so we only need to check state A now.
 430              */
 431             if (fr->bBHAM)
 432             {
 433                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 434                               (BHAMA(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 435                               (BHAMB(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 436                               (BHAMC(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 437             }
 438             else
 439             {
 440                 /* Standard LJ */
 441                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 442                               (C6(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k)  != 0.0) ||
 443                               (C12(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 444             }
 445         }
 446     }
 447
 448     /* Now we know all we need to make the final check and assignment. */
 449     if (nj == 3)
 450     {
 451         /* So, is it an SPC?
 452          * For this we require thatn all atoms have charge,
 453          * the charges on atom 2 & 3 should be the same, and only
 454          * atom 1 might have VdW.
 455          */
 456         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 457             has_vdw[2] == FALSE &&
 458             tmp_charge[0]  != 0 &&
 459             tmp_charge[1]  != 0 &&
 460             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1])
 461         {
 462             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 463             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolSPC;
 464             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 465             for (k = 0; k < 3; k++)
 466             {
 467                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 468                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 469             }
 470
 471             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 472             (*n_solvent_parameters)++;
 473         }
 474     }
 475     else if (nj == 4)
 476     {
 477         /* Or could it be a TIP4P?
 478          * For this we require thatn atoms 2,3,4 have charge, but not atom 1.
 479          * Only atom 1 mght have VdW.
 480          */
 481         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 482             has_vdw[2] == FALSE &&
 483             has_vdw[3] == FALSE &&
 484             tmp_charge[0]  == 0 &&
 485             tmp_charge[1]  != 0 &&
 486             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1] &&
 487             tmp_charge[3]  != 0)
 488         {
 489             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 490             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolTIP4P;
 491             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 492             for (k = 0; k < 4; k++)
 493             {
 494                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 495                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 496             }
 497
 498             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 499             (*n_solvent_parameters)++;
 500         }
 501     }
 502
 503     *solvent_parameters_p = solvent_parameters;
 504 }
 505
 506 static void
 507 check_solvent(FILE  *                fp,
 508               const gmx_mtop_t  *    mtop,
 509               t_forcerec  *          fr,
 510               cginfo_mb_t           *cginfo_mb)
 511 {
 512     const t_block     *   cgs;
 513     const gmx_moltype_t  *molt;
 514     int                   mol, cg_mol, at_offset, am, cgm, i, nmol_ch, nmol;
 515     int                   n_solvent_parameters;
 516     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 517     int                 **cg_sp;
 518     int                   bestsp, bestsol;
 519
 520     if (debug)
 521     {
 522         fprintf(debug, "Going to determine what solvent types we have.\n");
 523     }
 524
 525     n_solvent_parameters = 0;
 526     solvent_parameters   = nullptr;
 527     /* Allocate temporary array for solvent type */
 528     snew(cg_sp, mtop->molblock.size());
 529
 530     at_offset = 0;
 531     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 532     {
 533         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 534         cgs  = &molt->cgs;
 535         /* Here we have to loop over all individual molecules
 536          * because we need to check for QMMM particles.
 537          */
 538         snew(cg_sp[mb], cginfo_mb[mb].cg_mod);
 539         nmol_ch = cginfo_mb[mb].cg_mod/cgs->nr;
 540         nmol    = mtop->molblock[mb].nmol/nmol_ch;
 541         for (mol = 0; mol < nmol_ch; mol++)
 542         {
 543             cgm = mol*cgs->nr;
 544             am  = mol*cgs->index[cgs->nr];
 545             for (cg_mol = 0; cg_mol < cgs->nr; cg_mol++)
 546             {
 547                 check_solvent_cg(molt, cg_mol, nmol,
 548                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM] ?
 549                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM]+at_offset+am : nullptr,
 550                                  &mtop->groups.grps[egcQMMM],
 551                                  fr,
 552                                  &n_solvent_parameters, &solvent_parameters,
 553                                  cginfo_mb[mb].cginfo[cgm+cg_mol],
 554                                  &cg_sp[mb][cgm+cg_mol]);
 555             }
 556         }
 557         at_offset += cgs->index[cgs->nr];
 558     }
 559
 560     /* Puh! We finished going through all charge groups.
 561      * Now find the most common solvent model.
 562      */
 563
 564     /* Most common solvent this far */
 565     bestsp = -2;
 566     for (i = 0; i < n_solvent_parameters; i++)
 567     {
 568         if (bestsp == -2 ||
 569             solvent_parameters[i].count > solvent_parameters[bestsp].count)
 570         {
 571             bestsp = i;
 572         }
 573     }
 574
 575     if (bestsp >= 0)
 576     {
 577         bestsol = solvent_parameters[bestsp].model;
 578     }
 579     else
 580     {
 581         bestsol = esolNO;
 582     }
 583
 584     fr->nWatMol = 0;
 585     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 586     {
 587         cgs  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].cgs;
 588         nmol = (mtop->molblock[mb].nmol*cgs->nr)/cginfo_mb[mb].cg_mod;
 589         for (i = 0; i < cginfo_mb[mb].cg_mod; i++)
 590         {
 591             if (cg_sp[mb][i] == bestsp)
 592             {
 593                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], bestsol);
 594                 fr->nWatMol += nmol;
 595             }
 596             else
 597             {
 598                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], esolNO);
 599             }
 600         }
 601         sfree(cg_sp[mb]);
 602     }
 603     sfree(cg_sp);
 604
 605     if (bestsol != esolNO && fp != nullptr)
 606     {
 607         fprintf(fp, "\nEnabling %s-like water optimization for %d molecules.\n\n",
 608                 esol_names[bestsol],
 609                 solvent_parameters[bestsp].count);
 610     }
 611
 612     sfree(solvent_parameters);
 613     fr->solvent_opt = bestsol;
 614 }
 615
 616 enum {
 617     acNONE = 0, acCONSTRAINT, acSETTLE
 618 };
 619
 620 static cginfo_mb_t *init_cginfo_mb(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 621                                    t_forcerec *fr, gmx_bool bNoSolvOpt,
 622                                    gmx_bool *bFEP_NonBonded,
 623                                    gmx_bool *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone)
 624 {
 625     const t_block        *cgs;
 626     const t_blocka       *excl;
 627     const gmx_moltype_t  *molt;
 628     const gmx_molblock_t *molb;
 629     cginfo_mb_t          *cginfo_mb;
 630     gmx_bool             *type_VDW;
 631     int                  *cginfo;
 632     int                   cg_offset, a_offset;
 633     int                   m, cg, a0, a1, gid, ai, j, aj, excl_nalloc;
 634     int                  *a_con;
 635     int                   ftype;
 636     int                   ia;
 637     gmx_bool              bId, *bExcl, bExclIntraAll, bExclInter, bHaveVDW, bHaveQ, bHavePerturbedAtoms;
 638
 639     snew(cginfo_mb, mtop->molblock.size());
 640
 641     snew(type_VDW, fr->ntype);
 642     for (ai = 0; ai < fr->ntype; ai++)
 643     {
 644         type_VDW[ai] = FALSE;
 645         for (j = 0; j < fr->ntype; j++)
 646         {
 647             type_VDW[ai] = type_VDW[ai] ||
 648                 fr->bBHAM ||
 649                 C6(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0 ||
 650                 C12(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0;
 651         }
 652     }
 653
 654     *bFEP_NonBonded               = FALSE;
 655     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = TRUE;
 656
 657     excl_nalloc = 10;
 658     snew(bExcl, excl_nalloc);
 659     cg_offset = 0;
 660     a_offset  = 0;
 661     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 662     {
 663         molb = &mtop->molblock[mb];
 664         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 665         cgs  = &molt->cgs;
 666         excl = &molt->excls;
 667
 668         /* Check if the cginfo is identical for all molecules in this block.
 669          * If so, we only need an array of the size of one molecule.
 670          * Otherwise we make an array of #mol times #cgs per molecule.
 671          */
 672         bId = TRUE;
 673         for (m = 0; m < molb->nmol; m++)
 674         {
 675             int am = m*cgs->index[cgs->nr];
 676             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 677             {
 678                 a0 = cgs->index[cg];
 679                 a1 = cgs->index[cg+1];
 680                 if (ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0) !=
 681                     ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset   +a0))
 682                 {
 683                     bId = FALSE;
 684                 }
 685                 if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM] != nullptr)
 686                 {
 687                     for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 688                     {
 689                         if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset+am+ai] !=
 690                             mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset   +ai])
 691                         {
 692                             bId = FALSE;
 693                         }
 694                     }
 695                 }
 696             }
 697         }
 698
 699         cginfo_mb[mb].cg_start = cg_offset;
 700         cginfo_mb[mb].cg_end   = cg_offset + molb->nmol*cgs->nr;
 701         cginfo_mb[mb].cg_mod   = (bId ? 1 : molb->nmol)*cgs->nr;
 702         snew(cginfo_mb[mb].cginfo, cginfo_mb[mb].cg_mod);
 703         cginfo = cginfo_mb[mb].cginfo;
 704
 705         /* Set constraints flags for constrained atoms */
 706         snew(a_con, molt->atoms.nr);
 707         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 708         {
 709             if (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT)
 710             {
 711                 int nral;
 712
 713                 nral = NRAL(ftype);
 714                 for (ia = 0; ia < molt->ilist[ftype].nr; ia += 1+nral)
 715                 {
 716                     int a;
 717
 718                     for (a = 0; a < nral; a++)
 719                     {
 720                         a_con[molt->ilist[ftype].iatoms[ia+1+a]] =
 721                             (ftype == F_SETTLE ? acSETTLE : acCONSTRAINT);
 722                     }
 723                 }
 724             }
 725         }
 726
 727         for (m = 0; m < (bId ? 1 : molb->nmol); m++)
 728         {
 729             int cgm = m*cgs->nr;
 730             int am  = m*cgs->index[cgs->nr];
 731             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 732             {
 733                 a0 = cgs->index[cg];
 734                 a1 = cgs->index[cg+1];
 735
 736                 /* Store the energy group in cginfo */
 737                 gid = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0);
 738                 SET_CGINFO_GID(cginfo[cgm+cg], gid);
 739
 740                 /* Check the intra/inter charge group exclusions */
 741                 if (a1-a0 > excl_nalloc)
 742                 {
 743                     excl_nalloc = a1 - a0;
 744                     srenew(bExcl, excl_nalloc);
 745                 }
 746                 /* bExclIntraAll: all intra cg interactions excluded
 747                  * bExclInter:    any inter cg interactions excluded
 748                  */
 749                 bExclIntraAll       = TRUE;
 750                 bExclInter          = FALSE;
 751                 bHaveVDW            = FALSE;
 752                 bHaveQ              = FALSE;
 753                 bHavePerturbedAtoms = FALSE;
 754                 for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 755                 {
 756                     /* Check VDW and electrostatic interactions */
 757                     bHaveVDW = bHaveVDW || (type_VDW[molt->atoms.atom[ai].type] ||
 758                                             type_VDW[molt->atoms.atom[ai].typeB]);
 759                     bHaveQ  = bHaveQ    || (molt->atoms.atom[ai].q != 0 ||
 760                                             molt->atoms.atom[ai].qB != 0);
 761
 762                     bHavePerturbedAtoms = bHavePerturbedAtoms || (PERTURBED(molt->atoms.atom[ai]) != 0);
 763
 764                     /* Clear the exclusion list for atom ai */
 765                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 766                     {
 767                         bExcl[aj-a0] = FALSE;
 768                     }
 769                     /* Loop over all the exclusions of atom ai */
 770                     for (j = excl->index[ai]; j < excl->index[ai+1]; j++)
 771                     {
 772                         aj = excl->a[j];
 773                         if (aj < a0 || aj >= a1)
 774                         {
 775                             bExclInter = TRUE;
 776                         }
 777                         else
 778                         {
 779                             bExcl[aj-a0] = TRUE;
 780                         }
 781                     }
 782                     /* Check if ai excludes a0 to a1 */
 783                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 784                     {
 785                         if (!bExcl[aj-a0])
 786                         {
 787                             bExclIntraAll = FALSE;
 788                         }
 789                     }
 790
 791                     switch (a_con[ai])
 792                     {
 793                         case acCONSTRAINT:
 794                             SET_CGINFO_CONSTR(cginfo[cgm+cg]);
 795                             break;
 796                         case acSETTLE:
 797                             SET_CGINFO_SETTLE(cginfo[cgm+cg]);
 798                             break;
 799                         default:
 800                             break;
 801                     }
 802                 }
 803                 if (bExclIntraAll)
 804                 {
 805                     SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cgm+cg]);
 806                 }
 807                 if (bExclInter)
 808                 {
 809                     SET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cgm+cg]);
 810                 }
 811                 if (a1 - a0 > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 812                 {
 813                     /* The size in cginfo is currently only read with DD */
 814                     gmx_fatal(FARGS, "A charge group has size %d which is larger than the limit of %d atoms", a1-a0, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 815                 }
 816                 if (bHaveVDW)
 817                 {
 818                     SET_CGINFO_HAS_VDW(cginfo[cgm+cg]);
 819                 }
 820                 if (bHaveQ)
 821                 {
 822                     SET_CGINFO_HAS_Q(cginfo[cgm+cg]);
 823                 }
 824                 if (bHavePerturbedAtoms && fr->efep != efepNO)
 825                 {
 826                     SET_CGINFO_FEP(cginfo[cgm+cg]);
 827                     *bFEP_NonBonded = TRUE;
 828                 }
 829                 /* Store the charge group size */
 830                 SET_CGINFO_NATOMS(cginfo[cgm+cg], a1-a0);
 831
 832                 if (!bExclIntraAll || bExclInter)
 833                 {
 834                     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = FALSE;
 835                 }
 836             }
 837         }
 838
 839         sfree(a_con);
 840
 841         cg_offset += molb->nmol*cgs->nr;
 842         a_offset  += molb->nmol*cgs->index[cgs->nr];
 843     }
 844     sfree(type_VDW);
 845     sfree(bExcl);
 846
 847     /* the solvent optimizer is called after the QM is initialized,
 848      * because we don't want to have the QM subsystemto become an
 849      * optimized solvent
 850      */
 851
 852     check_solvent(fplog, mtop, fr, cginfo_mb);
 853
 854     if (getenv("GMX_NO_SOLV_OPT"))
 855     {
 856         if (fplog)
 857         {
 858             fprintf(fplog, "Found environment variable GMX_NO_SOLV_OPT.\n"
 859                     "Disabling all solvent optimization\n");
 860         }
 861         fr->solvent_opt = esolNO;
 862     }
 863     if (bNoSolvOpt)
 864     {
 865         fr->solvent_opt = esolNO;
 866     }
 867     if (!fr->solvent_opt)
 868     {
 869         for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 870         {
 871             for (cg = 0; cg < cginfo_mb[mb].cg_mod; cg++)
 872             {
 873                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[cg], esolNO);
 874             }
 875         }
 876     }
 877
 878     return cginfo_mb;
 879 }
 880
 881 static int *cginfo_expand(int nmb, cginfo_mb_t *cgi_mb)
 882 {
 883     int  ncg, mb, cg;
 884     int *cginfo;
 885
 886     ncg = cgi_mb[nmb-1].cg_end;
 887     snew(cginfo, ncg);
 888     mb = 0;
 889     for (cg = 0; cg < ncg; cg++)
 890     {
 891         while (cg >= cgi_mb[mb].cg_end)
 892         {
 893             mb++;
 894         }
 895         cginfo[cg] =
 896             cgi_mb[mb].cginfo[(cg - cgi_mb[mb].cg_start) % cgi_mb[mb].cg_mod];
 897     }
 898
 899     return cginfo;
 900 }
 901
 902 static void done_cginfo_mb(cginfo_mb_t *cginfo_mb, int numMolBlocks)
 903 {
 904     if (cginfo_mb == nullptr)
 905     {
 906         return;
 907     }
 908     for (int mb = 0; mb < numMolBlocks; ++mb)
 909     {
 910         sfree(cginfo_mb[mb].cginfo);
 911     }
 912     sfree(cginfo_mb);
 913 }
 914
 915 /* Sets the sum of charges (squared) and C6 in the system in fr.
 916  * Returns whether the system has a net charge.
 917  */
 918 static bool set_chargesum(FILE *log, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 919 {
 920     /*This now calculates sum for q and c6*/
 921     double         qsum, q2sum, q, c6sum, c6;
 922
 923     qsum   = 0;
 924     q2sum  = 0;
 925     c6sum  = 0;
 926     for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
 927     {
 928         int            nmol  = molb.nmol;
 929         const t_atoms *atoms = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
 930         for (int i = 0; i < atoms->nr; i++)
 931         {
 932             q       = atoms->atom[i].q;
 933             qsum   += nmol*q;
 934             q2sum  += nmol*q*q;
 935             c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 936             c6sum  += nmol*c6;
 937         }
 938     }
 939     fr->qsum[0]   = qsum;
 940     fr->q2sum[0]  = q2sum;
 941     fr->c6sum[0]  = c6sum;
 942
 943     if (fr->efep != efepNO)
 944     {
 945         qsum   = 0;
 946         q2sum  = 0;
 947         c6sum  = 0;
 948         for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
 949         {
 950             int            nmol  = molb.nmol;
 951             const t_atoms *atoms = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
 952             for (int i = 0; i < atoms->nr; i++)
 953             {
 954                 q       = atoms->atom[i].qB;
 955                 qsum   += nmol*q;
 956                 q2sum  += nmol*q*q;
 957                 c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 958                 c6sum  += nmol*c6;
 959             }
 960             fr->qsum[1]   = qsum;
 961             fr->q2sum[1]  = q2sum;
 962             fr->c6sum[1]  = c6sum;
 963         }
 964     }
 965     else
 966     {
 967         fr->qsum[1]   = fr->qsum[0];
 968         fr->q2sum[1]  = fr->q2sum[0];
 969         fr->c6sum[1]  = fr->c6sum[0];
 970     }
 971     if (log)
 972     {
 973         if (fr->efep == efepNO)
 974         {
 975             fprintf(log, "System total charge: %.3f\n", fr->qsum[0]);
 976         }
 977         else
 978         {
 979             fprintf(log, "System total charge, top. A: %.3f top. B: %.3f\n",
 980                     fr->qsum[0], fr->qsum[1]);
 981         }
 982     }
 983
 984     /* A cut-off of 1e-4 is used to catch rounding errors due to ascii input */
 985     return (std::abs(fr->qsum[0]) > 1e-4 ||
 986             std::abs(fr->qsum[1]) > 1e-4);
 987 }
 988
 989 void update_forcerec(t_forcerec *fr, matrix box)
 990 {
 991     if (fr->ic->eeltype == eelGRF)
 992     {
 993         calc_rffac(nullptr, fr->ic->eeltype, fr->ic->epsilon_r, fr->ic->epsilon_rf,
 994                    fr->ic->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
 995                    &fr->ic->k_rf, &fr->ic->c_rf);
 996     }
 997 }
 998
 999 void set_avcsixtwelve(FILE *fplog, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
1000 {
1001     const t_atoms  *atoms, *atoms_tpi;
1002     const t_blocka *excl;
1003     int             nmolc, i, j, tpi, tpj, j1, j2, k, nexcl, q;
1004     gmx_int64_t     npair, npair_ij, tmpi, tmpj;
1005     double          csix, ctwelve;
1006     int             ntp, *typecount;
1007     gmx_bool        bBHAM;
1008     real           *nbfp;
1009     real           *nbfp_comb = nullptr;
1010
1011     ntp   = fr->ntype;
1012     bBHAM = fr->bBHAM;
1013     nbfp  = fr->nbfp;
1014
1015     /* For LJ-PME, we want to correct for the difference between the
1016      * actual C6 values and the C6 values used by the LJ-PME based on
1017      * combination rules. */
1018
1019     if (EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1020     {
1021         nbfp_comb = mk_nbfp_combination_rule(&mtop->ffparams,
1022                                              (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB) ? eCOMB_ARITHMETIC : eCOMB_GEOMETRIC);
1023         for (tpi = 0; tpi < ntp; ++tpi)
1024         {
1025             for (tpj = 0; tpj < ntp; ++tpj)
1026             {
1027                 C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) =
1028                     C6(nbfp, ntp, tpi, tpj) - C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj);
1029                 C12(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) = C12(nbfp, ntp, tpi, tpj);
1030             }
1031         }
1032         nbfp = nbfp_comb;
1033     }
1034     for (q = 0; q < (fr->efep == efepNO ? 1 : 2); q++)
1035     {
1036         csix    = 0;
1037         ctwelve = 0;
1038         npair   = 0;
1039         nexcl   = 0;
1040         if (!fr->n_tpi)
1041         {
1042             /* Count the types so we avoid natoms^2 operations */
1043             snew(typecount, ntp);
1044             gmx_mtop_count_atomtypes(mtop, q, typecount);
1045
1046             for (tpi = 0; tpi < ntp; tpi++)
1047             {
1048                 for (tpj = tpi; tpj < ntp; tpj++)
1049                 {
1050                     tmpi = typecount[tpi];
1051                     tmpj = typecount[tpj];
1052                     if (tpi != tpj)
1053                     {
1054                         npair_ij = tmpi*tmpj;
1055                     }
1056                     else
1057                     {
1058                         npair_ij = tmpi*(tmpi - 1)/2;
1059                     }
1060                     if (bBHAM)
1061                     {
1062                         /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1063                         csix    += npair_ij*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1064                     }
1065                     else
1066                     {
1067                         /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1068                         csix    += npair_ij*   C6(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1069                         ctwelve += npair_ij*  C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1070                     }
1071                     npair += npair_ij;
1072                 }
1073             }
1074             sfree(typecount);
1075             /* Subtract the excluded pairs.
1076              * The main reason for substracting exclusions is that in some cases
1077              * some combinations might never occur and the parameters could have
1078              * any value. These unused values should not influence the dispersion
1079              * correction.
1080              */
1081             for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
1082             {
1083                 int nmol = molb.nmol;
1084                 atoms    = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
1085                 excl     = &mtop->moltype[molb.type].excls;
1086                 for (int i = 0; (i < atoms->nr); i++)
1087                 {
1088                     if (q == 0)
1089                     {
1090                         tpi = atoms->atom[i].type;
1091                     }
1092                     else
1093                     {
1094                         tpi = atoms->atom[i].typeB;
1095                     }
1096                     j1  = excl->index[i];
1097                     j2  = excl->index[i+1];
1098                     for (j = j1; j < j2; j++)
1099                     {
1100                         k = excl->a[j];
1101                         if (k > i)
1102                         {
1103                             if (q == 0)
1104                             {
1105                                 tpj = atoms->atom[k].type;
1106                             }
1107                             else
1108                             {
1109                                 tpj = atoms->atom[k].typeB;
1110                             }
1111                             if (bBHAM)
1112                             {
1113                                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1114                                 csix -= nmol*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1115                             }
1116                             else
1117                             {
1118                                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1119                                 csix    -= nmol*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1120                                 ctwelve -= nmol*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1121                             }
1122                             nexcl += molb.nmol;
1123                         }
1124                     }
1125                 }
1126             }
1127         }
1128         else
1129         {
1130             /* Only correct for the interaction of the test particle
1131              * with the rest of the system.
1132              */
1133             atoms_tpi =
1134                 &mtop->moltype[mtop->molblock.back().type].atoms;
1135
1136             npair = 0;
1137             for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
1138             {
1139                 const gmx_molblock_t &molb = mtop->molblock[mb];
1140                 atoms                      = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
1141                 for (j = 0; j < atoms->nr; j++)
1142                 {
1143                     nmolc = molb.nmol;
1144                     /* Remove the interaction of the test charge group
1145                      * with itself.
1146                      */
1147                     if (mb == mtop->molblock.size() - 1)
1148                     {
1149                         nmolc--;
1150
1151                         if (mb == 0 && molb.nmol == 1)
1152                         {
1153                             gmx_fatal(FARGS, "Old format tpr with TPI, please generate a new tpr file");
1154                         }
1155                     }
1156                     if (q == 0)
1157                     {
1158                         tpj = atoms->atom[j].type;
1159                     }
1160                     else
1161                     {
1162                         tpj = atoms->atom[j].typeB;
1163                     }
1164                     for (i = 0; i < fr->n_tpi; i++)
1165                     {
1166                         if (q == 0)
1167                         {
1168                             tpi = atoms_tpi->atom[i].type;
1169                         }
1170                         else
1171                         {
1172                             tpi = atoms_tpi->atom[i].typeB;
1173                         }
1174                         if (bBHAM)
1175                         {
1176                             /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1177                             csix    += nmolc*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1178                         }
1179                         else
1180                         {
1181                             /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1182                             csix    += nmolc*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1183                             ctwelve += nmolc*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1184                         }
1185                         npair += nmolc;
1186                     }
1187                 }
1188             }
1189         }
1190         if (npair - nexcl <= 0 && fplog)
1191         {
1192             fprintf(fplog, "\nWARNING: There are no atom pairs for dispersion correction\n\n");
1193             csix     = 0;
1194             ctwelve  = 0;
1195         }
1196         else
1197         {
1198             csix    /= npair - nexcl;
1199             ctwelve /= npair - nexcl;
1200         }
1201         if (debug)
1202         {
1203             fprintf(debug, "Counted %d exclusions\n", nexcl);
1204             fprintf(debug, "Average C6 parameter is: %10g\n", (double)csix);
1205             fprintf(debug, "Average C12 parameter is: %10g\n", (double)ctwelve);
1206         }
1207         fr->avcsix[q]    = csix;
1208         fr->avctwelve[q] = ctwelve;
1209     }
1210
1211     if (EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1212     {
1213         sfree(nbfp_comb);
1214     }
1215
1216     if (fplog != nullptr)
1217     {
1218         if (fr->eDispCorr == edispcAllEner ||
1219             fr->eDispCorr == edispcAllEnerPres)
1220         {
1221             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e, <C12> %10.4e\n",
1222                     fr->avcsix[0], fr->avctwelve[0]);
1223         }
1224         else
1225         {
1226             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e\n", fr->avcsix[0]);
1227         }
1228     }
1229 }
1230
1231
1232 static real calcBuckinghamBMax(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop)
1233 {
1234     const t_atoms *at1, *at2;
1235     int            i, j, tpi, tpj, ntypes;
1236     real           b, bmin;
1237
1238     if (fplog)
1239     {
1240         fprintf(fplog, "Determining largest Buckingham b parameter for table\n");
1241     }
1242     ntypes = mtop->ffparams.atnr;
1243
1244     bmin            = -1;
1245     real bham_b_max = 0;
1246     for (size_t mt1 = 0; mt1 < mtop->moltype.size(); mt1++)
1247     {
1248         at1 = &mtop->moltype[mt1].atoms;
1249         for (i = 0; (i < at1->nr); i++)
1250         {
1251             tpi = at1->atom[i].type;
1252             if (tpi >= ntypes)
1253             {
1254                 gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", i, tpi, ntypes);
1255             }
1256
1257             for (size_t mt2 = mt1; mt2 < mtop->moltype.size(); mt2++)
1258             {
1259                 at2 = &mtop->moltype[mt2].atoms;
1260                 for (j = 0; (j < at2->nr); j++)
1261                 {
1262                     tpj = at2->atom[j].type;
1263                     if (tpj >= ntypes)
1264                     {
1265                         gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", j, tpj, ntypes);
1266                     }
1267                     b = mtop->ffparams.iparams[tpi*ntypes + tpj].bham.b;
1268                     if (b > bham_b_max)
1269                     {
1270                         bham_b_max = b;
1271                     }
1272                     if ((b < bmin) || (bmin == -1))
1273                     {
1274                         bmin = b;
1275                     }
1276                 }
1277             }
1278         }
1279     }
1280     if (fplog)
1281     {
1282         fprintf(fplog, "Buckingham b parameters, min: %g, max: %g\n",
1283                 bmin, bham_b_max);
1284     }
1285
1286     return bham_b_max;
1287 }
1288
1289 static void make_nbf_tables(FILE *fp,
1290                             const interaction_const_t *ic, real rtab,
1291                             const char *tabfn, char *eg1, char *eg2,
1292                             t_nblists *nbl)
1293 {
1294     char buf[STRLEN];
1295     int  i, j;
1296
1297     if (tabfn == nullptr)
1298     {
1299         if (debug)
1300         {
1301             fprintf(debug, "No table file name passed, can not read table, can not do non-bonded interactions\n");
1302         }
1303         return;
1304     }
1305
1306     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1307     if (eg1 && eg2)
1308     {
1309         /* Append the two energy group names */
1310         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s_%s.%s",
1311                 eg1, eg2, ftp2ext(efXVG));
1312     }
1313     nbl->table_elec_vdw = make_tables(fp, ic, buf, rtab, 0);
1314     /* Copy the contents of the table to separate coulomb and LJ tables too,
1315      * to improve cache performance.
1316      */
1317     /* For performance reasons we want
1318      * the table data to be aligned to 16-byte. The pointers could be freed
1319      * but currently aren't.
1320      */
1321     snew(nbl->table_elec, 1);
1322     nbl->table_elec->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_ELEC;
1323     nbl->table_elec->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1324     nbl->table_elec->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1325     nbl->table_elec->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1326     nbl->table_elec->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1327     nbl->table_elec->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1328     nbl->table_elec->ninteractions = 1;
1329     nbl->table_elec->stride        = nbl->table_elec->formatsize * nbl->table_elec->ninteractions;
1330     snew_aligned(nbl->table_elec->data, nbl->table_elec->stride*(nbl->table_elec->n+1), 32);
1331
1332     snew(nbl->table_vdw, 1);
1333     nbl->table_vdw->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_VDWREP_VDWDISP;
1334     nbl->table_vdw->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1335     nbl->table_vdw->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1336     nbl->table_vdw->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1337     nbl->table_vdw->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1338     nbl->table_vdw->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1339     nbl->table_vdw->ninteractions = 2;
1340     nbl->table_vdw->stride        = nbl->table_vdw->formatsize * nbl->table_vdw->ninteractions;
1341     snew_aligned(nbl->table_vdw->data, nbl->table_vdw->stride*(nbl->table_vdw->n+1), 32);
1342
1343     /* NOTE: Using a single i-loop here leads to mix-up of data in table_vdw
1344      *       with (at least) gcc 6.2, 6.3 and 6.4 when compiled with -O3 and AVX
1345      */
1346     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
1347     {
1348         for (j = 0; j < 4; j++)
1349         {
1350             nbl->table_elec->data[4*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+j];
1351         }
1352     }
1353     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
1354     {
1355         for (j = 0; j < 8; j++)
1356         {
1357             nbl->table_vdw->data[8*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+4+j];
1358         }
1359     }
1360 }
1361
1362 /*!\brief If there's bonded interactions of type \c ftype1 or \c
1363  * ftype2 present in the topology, build an array of the number of
1364  * interactions present for each bonded interaction index found in the
1365  * topology.
1366  *
1367  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1368  * valid type with that parameter.
1369  *
1370  * \c count will be reallocated as necessary to fit the largest bonded
1371  * interaction index found, and its current size will be returned in
1372  * \c ncount. It will contain zero for every bonded interaction index
1373  * for which no interactions are present in the topology.
1374  */
1375 static void count_tables(int ftype1, int ftype2, const gmx_mtop_t *mtop,
1376                          int *ncount, int **count)
1377 {
1378     const t_ilist       *il;
1379     int                  ftype, stride, i, j, tabnr;
1380
1381     // Loop over all moleculetypes
1382     for (const gmx_moltype_t &molt : mtop->moltype)
1383     {
1384         // Loop over all interaction types
1385         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1386         {
1387             // If the current interaction type is one of the types whose tables we're trying to count...
1388             if (ftype == ftype1 || ftype == ftype2)
1389             {
1390                 il     = &molt.ilist[ftype];
1391                 stride = 1 + NRAL(ftype);
1392                 // ... and there are actually some interactions for this type
1393                 for (i = 0; i < il->nr; i += stride)
1394                 {
1395                     // Find out which table index the user wanted
1396                     tabnr = mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]].tab.table;
1397                     if (tabnr < 0)
1398                     {
1399                         gmx_fatal(FARGS, "A bonded table number is smaller than 0: %d\n", tabnr);
1400                     }
1401                     // Make room for this index in the data structure
1402                     if (tabnr >= *ncount)
1403                     {
1404                         srenew(*count, tabnr+1);
1405                         for (j = *ncount; j < tabnr+1; j++)
1406                         {
1407                             (*count)[j] = 0;
1408                         }
1409                         *ncount = tabnr+1;
1410                     }
1411                     // Record that this table index is used and must have a valid file
1412                     (*count)[tabnr]++;
1413                 }
1414             }
1415         }
1416     }
1417 }
1418
1419 /*!\brief If there's bonded interactions of flavour \c tabext and type
1420  * \c ftype1 or \c ftype2 present in the topology, seek them in the
1421  * list of filenames passed to mdrun, and make bonded tables from
1422  * those files.
1423  *
1424  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1425  * valid type with that parameter.
1426  *
1427  * A fatal error occurs if no matching filename is found.
1428  */
1429 static bondedtable_t *make_bonded_tables(FILE *fplog,
1430                                          int ftype1, int ftype2,
1431                                          const gmx_mtop_t *mtop,
1432                                          gmx::ArrayRef<const std::string> tabbfnm,
1433                                          const char *tabext)
1434 {
1435     int            ncount, *count;
1436     bondedtable_t *tab;
1437
1438     tab = nullptr;
1439
1440     ncount = 0;
1441     count  = nullptr;
1442     count_tables(ftype1, ftype2, mtop, &ncount, &count);
1443
1444     // Are there any relevant tabulated bond interactions?
1445     if (ncount > 0)
1446     {
1447         snew(tab, ncount);
1448         for (int i = 0; i < ncount; i++)
1449         {
1450             // Do any interactions exist that requires this table?
1451             if (count[i] > 0)
1452             {
1453                 // This pattern enforces the current requirement that
1454                 // table filenames end in a characteristic sequence
1455                 // before the file type extension, and avoids table 13
1456                 // being recognized and used for table 1.
1457                 std::string patternToFind = gmx::formatString("_%s%d.%s", tabext, i, ftp2ext(efXVG));
1458                 bool        madeTable     = false;
1459                 for (size_t j = 0; j < tabbfnm.size() && !madeTable; ++j)
1460                 {
1461                     if (gmx::endsWith(tabbfnm[j].c_str(), patternToFind))
1462                     {
1463                         // Finally read the table from the file found
1464                         tab[i]    = make_bonded_table(fplog, tabbfnm[j].c_str(), NRAL(ftype1)-2);
1465                         madeTable = true;
1466                     }
1467                 }
1468                 if (!madeTable)
1469                 {
1470                     bool isPlural = (ftype2 != -1);
1471                     gmx_fatal(FARGS, "Tabulated interaction of type '%s%s%s' with index %d cannot be used because no table file whose name matched '%s' was passed via the gmx mdrun -tableb command-line option.",
1472                               interaction_function[ftype1].longname,
1473                               isPlural ? "' or '" : "",
1474                               isPlural ? interaction_function[ftype2].longname : "",
1475                               i,
1476                               patternToFind.c_str());
1477                 }
1478             }
1479         }
1480         sfree(count);
1481     }
1482
1483     return tab;
1484 }
1485
1486 void forcerec_set_ranges(t_forcerec *fr,
1487                          int ncg_home, int ncg_force,
1488                          int natoms_force,
1489                          int natoms_force_constr, int natoms_f_novirsum)
1490 {
1491     fr->cg0 = 0;
1492     fr->hcg = ncg_home;
1493
1494     /* fr->ncg_force is unused in the standard code,
1495      * but it can be useful for modified code dealing with charge groups.
1496      */
1497     fr->ncg_force           = ncg_force;
1498     fr->natoms_force        = natoms_force;
1499     fr->natoms_force_constr = natoms_force_constr;
1500
1501     if (fr->natoms_force_constr > fr->nalloc_force)
1502     {
1503         fr->nalloc_force = over_alloc_dd(fr->natoms_force_constr);
1504     }
1505
1506     if (fr->haveDirectVirialContributions)
1507     {
1508         fr->forceBufferForDirectVirialContributions->resize(natoms_f_novirsum);
1509     }
1510 }
1511
1512 static real cutoff_inf(real cutoff)
1513 {
1514     if (cutoff == 0)
1515     {
1516         cutoff = GMX_CUTOFF_INF;
1517     }
1518
1519     return cutoff;
1520 }
1521
1522 gmx_bool can_use_allvsall(const t_inputrec *ir, gmx_bool bPrintNote, const t_commrec *cr, FILE *fp)
1523 {
1524     gmx_bool bAllvsAll;
1525
1526     bAllvsAll =
1527         (
1528             ir->rlist == 0            &&
1529             ir->rcoulomb == 0         &&
1530             ir->rvdw == 0             &&
1531             ir->ePBC == epbcNONE      &&
1532             ir->vdwtype == evdwCUT    &&
1533             ir->coulombtype == eelCUT &&
1534             ir->efep == efepNO        &&
1535             getenv("GMX_NO_ALLVSALL") == nullptr
1536         );
1537
1538     if (bAllvsAll && ir->opts.ngener > 1)
1539     {
1540         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";
1541
1542         if (bPrintNote)
1543         {
1544             if (fp != nullptr)
1545             {
1546                 fprintf(fp, "\n%s\n", note);
1547             }
1548         }
1549         bAllvsAll = FALSE;
1550     }
1551
1552     if (bAllvsAll && fp && MASTER(cr))
1553     {
1554         fprintf(fp, "\nUsing SIMD all-vs-all kernels.\n\n");
1555     }
1556
1557     return bAllvsAll;
1558 }
1559
1560
1561 gmx_bool nbnxn_simd_supported(const gmx::MDLogger &mdlog,
1562                               const t_inputrec    *ir)
1563 {
1564     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1565     {
1566         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1567          * This so slow that we don't compile SIMD non-bonded kernels
1568          * for that. */
1569         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with SIMD kernels, falling back to plain C kernels");
1570         return FALSE;
1571     }
1572
1573     return TRUE;
1574 }
1575
1576
1577 static void pick_nbnxn_kernel_cpu(const t_inputrec gmx_unused    *ir,
1578                                   int                            *kernel_type,
1579                                   int                            *ewald_excl,
1580                                   const gmx_hw_info_t gmx_unused &hardwareInfo)
1581 {
1582     *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1583     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1584
1585 #if GMX_SIMD
1586     {
1587 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1588         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1589 #endif
1590 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1591         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1592 #endif
1593
1594 #if defined GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && defined GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1595         /* We need to choose if we want 2x(N+N) or 4xN kernels.
1596          * This is based on the SIMD acceleration choice and CPU information
1597          * detected at runtime.
1598          *
1599          * 4xN calculates more (zero) interactions, but has less pair-search
1600          * work and much better kernel instruction scheduling.
1601          *
1602          * Up till now we have only seen that on Intel Sandy/Ivy Bridge,
1603          * which doesn't have FMA, both the analytical and tabulated Ewald
1604          * kernels have similar pair rates for 4x8 and 2x(4+4), so we choose
1605          * 2x(4+4) because it results in significantly fewer pairs.
1606          * For RF, the raw pair rate of the 4x8 kernel is higher than 2x(4+4),
1607          * 10% with HT, 50% without HT. As we currently don't detect the actual
1608          * use of HT, use 4x8 to avoid a potential performance hit.
1609          * On Intel Haswell 4x8 is always faster.
1610          */
1611         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1612
1613 #if !GMX_SIMD_HAVE_FMA
1614         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) ||
1615             EVDW_PME(ir->vdwtype))
1616         {
1617             /* We have Ewald kernels without FMA (Intel Sandy/Ivy Bridge).
1618              * There are enough instructions to make 2x(4+4) efficient.
1619              */
1620             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1621         }
1622 #endif
1623         if (hardwareInfo.haveAmdZenCpu)
1624         {
1625             /* One 256-bit FMA per cycle makes 2xNN faster */
1626             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1627         }
1628 #endif  /* GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && GMX_NBNXN_SIMD_4XN */
1629
1630
1631         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_4XN") != nullptr)
1632         {
1633 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1634             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1635 #else
1636             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 4xN kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1637 #endif
1638         }
1639         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_2XNN") != nullptr)
1640         {
1641 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1642             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1643 #else
1644             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 2x(N+N) kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1645 #endif
1646         }
1647
1648         /* Analytical Ewald exclusion correction is only an option in
1649          * the SIMD kernel.
1650          * Since table lookup's don't parallelize with SIMD, analytical
1651          * will probably always be faster for a SIMD width of 8 or more.
1652          * With FMA analytical is sometimes faster for a width if 4 as well.
1653          * In single precision, this is faster on Bulldozer.
1654          */
1655 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 8 || \
1656         (GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 4 && GMX_SIMD_HAVE_FMA && !GMX_DOUBLE)
1657         /* On AMD Zen, tabulated Ewald kernels are faster on all 4 combinations
1658          * of single or double precision and 128 or 256-bit AVX2.
1659          */
1660         if (!hardwareInfo.haveAmdZenCpu)
1661         {
1662             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1663         }
1664 #endif
1665         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_TABLE") != nullptr)
1666         {
1667             *ewald_excl = ewaldexclTable;
1668         }
1669         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_ANALYTICAL") != nullptr)
1670         {
1671             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1672         }
1673
1674     }
1675 #endif // GMX_SIMD
1676 }
1677
1678
1679 const char *lookup_nbnxn_kernel_name(int kernel_type)
1680 {
1681     const char *returnvalue = nullptr;
1682     switch (kernel_type)
1683     {
1684         case nbnxnkNotSet:
1685             returnvalue = "not set";
1686             break;
1687         case nbnxnk4x4_PlainC:
1688             returnvalue = "plain C";
1689             break;
1690         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
1691         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
1692 #if GMX_SIMD
1693             returnvalue = "SIMD";
1694 #else  // GMX_SIMD
1695             returnvalue = "not available";
1696 #endif // GMX_SIMD
1697             break;
1698         case nbnxnk8x8x8_GPU: returnvalue    = "GPU"; break;
1699         case nbnxnk8x8x8_PlainC: returnvalue = "plain C"; break;
1700
1701         case nbnxnkNR:
1702         default:
1703             gmx_fatal(FARGS, "Illegal kernel type selected");
1704             returnvalue = nullptr;
1705             break;
1706     }
1707     return returnvalue;
1708 };
1709
1710 static void pick_nbnxn_kernel(const gmx::MDLogger &mdlog,
1711                               gmx_bool             use_simd_kernels,
1712                               const gmx_hw_info_t &hardwareInfo,
1713                               gmx_bool             bUseGPU,
1714                               EmulateGpuNonbonded  emulateGpu,
1715                               const t_inputrec    *ir,
1716                               int                 *kernel_type,
1717                               int                 *ewald_excl,
1718                               gmx_bool             bDoNonbonded)
1719 {
1720     assert(kernel_type);
1721
1722     *kernel_type = nbnxnkNotSet;
1723     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1724
1725     if (emulateGpu == EmulateGpuNonbonded::Yes)
1726     {
1727         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_PlainC;
1728
1729         if (bDoNonbonded)
1730         {
1731             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("Emulating a GPU run on the CPU (slow)");
1732         }
1733     }
1734     else if (bUseGPU)
1735     {
1736         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_GPU;
1737     }
1738
1739     if (*kernel_type == nbnxnkNotSet)
1740     {
1741         if (use_simd_kernels &&
1742             nbnxn_simd_supported(mdlog, ir))
1743         {
1744             pick_nbnxn_kernel_cpu(ir, kernel_type, ewald_excl, hardwareInfo);
1745         }
1746         else
1747         {
1748             *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1749         }
1750     }
1751
1752     if (bDoNonbonded)
1753     {
1754         GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().appendTextFormatted(
1755                 "Using %s %dx%d nonbonded short-range kernels",
1756                 lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type),
1757                 nbnxn_kernel_to_cluster_i_size(*kernel_type),
1758                 nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(*kernel_type));
1759
1760         if (nbnxnk4x4_PlainC == *kernel_type ||
1761             nbnxnk8x8x8_PlainC == *kernel_type)
1762         {
1763             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendTextFormatted(
1764                     "WARNING: Using the slow %s kernels. This should\n"
1765                     "not happen during routine usage on supported platforms.",
1766                     lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type));
1767         }
1768     }
1769 }
1770
1771 /*! \brief Print Coulomb Ewald citations and set ewald coefficients */
1772 static void initCoulombEwaldParameters(FILE *fp, const t_inputrec *ir,
1773                                        bool systemHasNetCharge,
1774                                        interaction_const_t *ic)
1775 {
1776     if (!EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype))
1777     {
1778         return;
1779     }
1780
1781     if (fp)
1782     {
1783         fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for electrostatic interactions.\n");
1784
1785         if (ir->coulombtype == eelP3M_AD)
1786         {
1787             please_cite(fp, "Hockney1988");
1788             please_cite(fp, "Ballenegger2012");
1789         }
1790         else
1791         {
1792             please_cite(fp, "Essmann95a");
1793         }
1794
1795         if (ir->ewald_geometry == eewg3DC)
1796         {
1797             if (fp)
1798             {
1799                 fprintf(fp, "Using the Ewald3DC correction for systems with a slab geometry%s.\n",
1800                         systemHasNetCharge ? " and net charge" : "");
1801             }
1802             please_cite(fp, "In-Chul99a");
1803             if (systemHasNetCharge)
1804             {
1805                 please_cite(fp, "Ballenegger2009");
1806             }
1807         }
1808     }
1809
1810     ic->ewaldcoeff_q = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
1811     if (fp)
1812     {
1813         fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for Ewald\n",
1814                 1/ic->ewaldcoeff_q);
1815     }
1816
1817     if (ic->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1818     {
1819         GMX_RELEASE_ASSERT(ic->rcoulomb != 0, "Cutoff radius cannot be zero");
1820         ic->sh_ewald = std::erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb) / ic->rcoulomb;
1821     }
1822     else
1823     {
1824         ic->sh_ewald = 0;
1825     }
1826 }
1827
1828 /*! \brief Print Van der Waals Ewald citations and set ewald coefficients */
1829 static void initVdwEwaldParameters(FILE *fp, const t_inputrec *ir,
1830                                    interaction_const_t *ic)
1831 {
1832     if (!EVDW_PME(ir->vdwtype))
1833     {
1834         return;
1835     }
1836
1837     if (fp)
1838     {
1839         fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for LJ dispersion interactions.\n");
1840         please_cite(fp, "Essmann95a");
1841     }
1842     ic->ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
1843     if (fp)
1844     {
1845         fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for LJ Ewald\n",
1846                 1/ic->ewaldcoeff_lj);
1847     }
1848
1849     if (ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1850     {
1851         real crc2       = gmx::square(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
1852         ic->sh_lj_ewald = (std::exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)/gmx::power6(ic->rvdw);
1853     }
1854     else
1855     {
1856         ic->sh_lj_ewald = 0;
1857     }
1858 }
1859
1860 gmx_bool uses_simple_tables(int                 cutoff_scheme,
1861                             nonbonded_verlet_t *nbv,
1862                             int                 group)
1863 {
1864     gmx_bool bUsesSimpleTables = TRUE;
1865     int      grp_index;
1866
1867     switch (cutoff_scheme)
1868     {
1869         case ecutsGROUP:
1870             bUsesSimpleTables = TRUE;
1871             break;
1872         case ecutsVERLET:
1873             assert(NULL != nbv && NULL != nbv->grp);
1874             grp_index         = (group < 0) ? 0 : (nbv->ngrp - 1);
1875             bUsesSimpleTables = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[grp_index].kernel_type);
1876             break;
1877         default:
1878             gmx_incons("unimplemented");
1879     }
1880     return bUsesSimpleTables;
1881 }
1882
1883 static void init_ewald_f_table(interaction_const_t *ic,
1884                                real                 rtab)
1885 {
1886     real maxr;
1887
1888     /* Get the Ewald table spacing based on Coulomb and/or LJ
1889      * Ewald coefficients and rtol.
1890      */
1891     ic->tabq_scale = ewald_spline3_table_scale(ic);
1892
1893     if (ic->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1894     {
1895         maxr = ic->rcoulomb;
1896     }
1897     else
1898     {
1899         maxr = std::max(ic->rcoulomb, rtab);
1900     }
1901     ic->tabq_size  = static_cast<int>(maxr*ic->tabq_scale) + 2;
1902
1903     sfree_aligned(ic->tabq_coul_FDV0);
1904     sfree_aligned(ic->tabq_coul_F);
1905     sfree_aligned(ic->tabq_coul_V);
1906
1907     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0);
1908     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_F);
1909     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_V);
1910
1911     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype))
1912     {
1913         /* Create the original table data in FDV0 */
1914         snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1915         snew_aligned(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_size, 32);
1916         snew_aligned(ic->tabq_coul_V, ic->tabq_size, 32);
1917         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_coul_V, ic->tabq_coul_FDV0,
1918                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_q, v_q_ewald_lr);
1919     }
1920
1921     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1922     {
1923         snew_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1924         snew_aligned(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_size, 32);
1925         snew_aligned(ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_size, 32);
1926         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_vdw_FDV0,
1927                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_lj, v_lj_ewald_lr);
1928     }
1929 }
1930
1931 void init_interaction_const_tables(FILE                *fp,
1932                                    interaction_const_t *ic,
1933                                    real                 rtab)
1934 {
1935     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype))
1936     {
1937         init_ewald_f_table(ic, rtab);
1938
1939         if (fp != nullptr)
1940         {
1941             fprintf(fp, "Initialized non-bonded Ewald correction tables, spacing: %.2e size: %d\n\n",
1942                     1/ic->tabq_scale, ic->tabq_size);
1943         }
1944     }
1945 }
1946
1947 static void clear_force_switch_constants(shift_consts_t *sc)
1948 {
1949     sc->c2   = 0;
1950     sc->c3   = 0;
1951     sc->cpot = 0;
1952 }
1953
1954 static void force_switch_constants(real p,
1955                                    real rsw, real rc,
1956                                    shift_consts_t *sc)
1957 {
1958     /* Here we determine the coefficient for shifting the force to zero
1959      * between distance rsw and the cut-off rc.
1960      * For a potential of r^-p, we have force p*r^-(p+1).
1961      * But to save flops we absorb p in the coefficient.
1962      * Thus we get:
1963      * force/p   = r^-(p+1) + c2*r^2 + c3*r^3
1964      * potential = r^-p + c2/3*r^3 + c3/4*r^4 + cpot
1965      */
1966     sc->c2   =  ((p + 1)*rsw - (p + 4)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::square(rc - rsw));
1967     sc->c3   = -((p + 1)*rsw - (p + 3)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::power3(rc - rsw));
1968     sc->cpot = -pow(rc, -p) + p*sc->c2/3*gmx::power3(rc - rsw) + p*sc->c3/4*gmx::power4(rc - rsw);
1969 }
1970
1971 static void potential_switch_constants(real rsw, real rc,
1972                                        switch_consts_t *sc)
1973 {
1974     /* The switch function is 1 at rsw and 0 at rc.
1975      * The derivative and second derivate are zero at both ends.
1976      * rsw        = max(r - r_switch, 0)
1977      * sw         = 1 + c3*rsw^3 + c4*rsw^4 + c5*rsw^5
1978      * dsw        = 3*c3*rsw^2 + 4*c4*rsw^3 + 5*c5*rsw^4
1979      * force      = force*dsw - potential*sw
1980      * potential *= sw
1981      */
1982     sc->c3 = -10/gmx::power3(rc - rsw);
1983     sc->c4 =  15/gmx::power4(rc - rsw);
1984     sc->c5 =  -6/gmx::power5(rc - rsw);
1985 }
1986
1987 /*! \brief Construct interaction constants
1988  *
1989  * This data is used (particularly) by search and force code for
1990  * short-range interactions. Many of these are constant for the whole
1991  * simulation; some are constant only after PME tuning completes.
1992  */
1993 static void
1994 init_interaction_const(FILE                       *fp,
1995                        interaction_const_t       **interaction_const,
1996                        const t_inputrec           *ir,
1997                        const gmx_mtop_t           *mtop,
1998                        bool                        systemHasNetCharge)
1999 {
2000     interaction_const_t *ic;
2001
2002     snew(ic, 1);
2003
2004     ic->cutoff_scheme   = ir->cutoff_scheme;
2005
2006     /* Just allocate something so we can free it */
2007     snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, 16, 32);
2008     snew_aligned(ic->tabq_coul_F, 16, 32);
2009     snew_aligned(ic->tabq_coul_V, 16, 32);
2010
2011     /* Lennard-Jones */
2012     ic->vdwtype         = ir->vdwtype;
2013     ic->vdw_modifier    = ir->vdw_modifier;
2014     ic->reppow          = mtop->ffparams.reppow;
2015     ic->rvdw            = cutoff_inf(ir->rvdw);
2016     ic->rvdw_switch     = ir->rvdw_switch;
2017     ic->ljpme_comb_rule = ir->ljpme_combination_rule;
2018     ic->useBuckingham   = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2019     if (ic->useBuckingham)
2020     {
2021         ic->buckinghamBMax = calcBuckinghamBMax(fp, mtop);
2022     }
2023
2024     initVdwEwaldParameters(fp, ir, ic);
2025
2026     clear_force_switch_constants(&ic->dispersion_shift);
2027     clear_force_switch_constants(&ic->repulsion_shift);
2028
2029     switch (ic->vdw_modifier)
2030     {
2031         case eintmodPOTSHIFT:
2032             /* Only shift the potential, don't touch the force */
2033             ic->dispersion_shift.cpot = -1.0/gmx::power6(ic->rvdw);
2034             ic->repulsion_shift.cpot  = -1.0/gmx::power12(ic->rvdw);
2035             break;
2036         case eintmodFORCESWITCH:
2037             /* Switch the force, switch and shift the potential */
2038             force_switch_constants(6.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2039                                    &ic->dispersion_shift);
2040             force_switch_constants(12.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2041                                    &ic->repulsion_shift);
2042             break;
2043         case eintmodPOTSWITCH:
2044             /* Switch the potential and force */
2045             potential_switch_constants(ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2046                                        &ic->vdw_switch);
2047             break;
2048         case eintmodNONE:
2049         case eintmodEXACTCUTOFF:
2050             /* Nothing to do here */
2051             break;
2052         default:
2053             gmx_incons("unimplemented potential modifier");
2054     }
2055
2056     ic->sh_invrc6 = -ic->dispersion_shift.cpot;
2057
2058     /* Electrostatics */
2059     ic->eeltype          = ir->coulombtype;
2060     ic->coulomb_modifier = ir->coulomb_modifier;
2061     ic->rcoulomb         = cutoff_inf(ir->rcoulomb);
2062     ic->rcoulomb_switch  = ir->rcoulomb_switch;
2063     ic->epsilon_r        = ir->epsilon_r;
2064
2065     /* Set the Coulomb energy conversion factor */
2066     if (ic->epsilon_r != 0)
2067     {
2068         ic->epsfac = ONE_4PI_EPS0/ic->epsilon_r;
2069     }
2070     else
2071     {
2072         /* eps = 0 is infinite dieletric: no Coulomb interactions */
2073         ic->epsfac = 0;
2074     }
2075
2076     /* Reaction-field */
2077     if (EEL_RF(ic->eeltype))
2078     {
2079         ic->epsilon_rf = ir->epsilon_rf;
2080         /* Generalized reaction field parameters are updated every step */
2081         if (ic->eeltype != eelGRF)
2082         {
2083             calc_rffac(fp, ic->eeltype, ic->epsilon_r, ic->epsilon_rf,
2084                        ic->rcoulomb, 0, 0, NULL,
2085                        &ic->k_rf, &ic->c_rf);
2086         }
2087
2088         if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP && ic->eeltype == eelRF_ZERO)
2089         {
2090             /* grompp should have done this, but this scheme is obsolete */
2091             ic->coulomb_modifier = eintmodEXACTCUTOFF;
2092         }
2093     }
2094     else
2095     {
2096         /* For plain cut-off we might use the reaction-field kernels */
2097         ic->epsilon_rf = ic->epsilon_r;
2098         ic->k_rf       = 0;
2099         if (ir->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2100         {
2101             ic->c_rf   = 1/ic->rcoulomb;
2102         }
2103         else
2104         {
2105             ic->c_rf   = 0;
2106         }
2107     }
2108
2109     initCoulombEwaldParameters(fp, ir, systemHasNetCharge, ic);
2110
2111     if (fp != nullptr)
2112     {
2113         real dispersion_shift;
2114
2115         dispersion_shift = ic->dispersion_shift.cpot;
2116         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2117         {
2118             dispersion_shift -= ic->sh_lj_ewald;
2119         }
2120         fprintf(fp, "Potential shift: LJ r^-12: %.3e r^-6: %.3e",
2121                 ic->repulsion_shift.cpot, dispersion_shift);
2122
2123         if (ic->eeltype == eelCUT)
2124         {
2125             fprintf(fp, ", Coulomb %.e", -ic->c_rf);
2126         }
2127         else if (EEL_PME(ic->eeltype))
2128         {
2129             fprintf(fp, ", Ewald %.3e", -ic->sh_ewald);
2130         }
2131         fprintf(fp, "\n");
2132     }
2133
2134     *interaction_const = ic;
2135 }
2136
2137 static void
2138 done_interaction_const(interaction_const_t *interaction_const)
2139 {
2140     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_FDV0);
2141     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_F);
2142     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_V);
2143     sfree(interaction_const);
2144 }
2145
2146 static void init_nb_verlet(const gmx::MDLogger     &mdlog,
2147                            nonbonded_verlet_t     **nb_verlet,
2148                            gmx_bool                 bFEP_NonBonded,
2149                            const t_inputrec        *ir,
2150                            const t_forcerec        *fr,
2151                            const t_commrec         *cr,
2152                            const gmx_hw_info_t     &hardwareInfo,
2153                            const gmx_device_info_t *deviceInfo,
2154                            const gmx_mtop_t        *mtop,
2155                            matrix                   box)
2156 {
2157     nonbonded_verlet_t *nbv;
2158     char               *env;
2159
2160     nbnxn_alloc_t      *nb_alloc;
2161     nbnxn_free_t       *nb_free;
2162
2163     nbv = new nonbonded_verlet_t();
2164
2165     nbv->emulateGpu = ((getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr) ? EmulateGpuNonbonded::Yes : EmulateGpuNonbonded::No);
2166     nbv->bUseGPU    = deviceInfo != nullptr;
2167
2168     GMX_RELEASE_ASSERT(!(nbv->emulateGpu == EmulateGpuNonbonded::Yes && nbv->bUseGPU), "When GPU emulation is active, there cannot be a GPU assignment");
2169
2170     nbv->nbs             = nullptr;
2171     nbv->min_ci_balanced = 0;
2172
2173     nbv->ngrp = (DOMAINDECOMP(cr) ? 2 : 1);
2174     for (int i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2175     {
2176         nbv->grp[i].nbl_lists.nnbl = 0;
2177         nbv->grp[i].kernel_type    = nbnxnkNotSet;
2178
2179         if (i == 0) /* local */
2180         {
2181             pick_nbnxn_kernel(mdlog, fr->use_simd_kernels, hardwareInfo,
2182                               nbv->bUseGPU, nbv->emulateGpu, ir,
2183                               &nbv->grp[i].kernel_type,
2184                               &nbv->grp[i].ewald_excl,
2185                               fr->bNonbonded);
2186         }
2187         else /* non-local */
2188         {
2189             /* Use the same kernel for local and non-local interactions */
2190             nbv->grp[i].kernel_type = nbv->grp[0].kernel_type;
2191             nbv->grp[i].ewald_excl  = nbv->grp[0].ewald_excl;
2192         }
2193     }
2194
2195     nbv->listParams = std::unique_ptr<NbnxnListParameters>(new NbnxnListParameters(ir->rlist));
2196     setupDynamicPairlistPruning(mdlog, ir, mtop, box, nbv->grp[0].kernel_type, fr->ic,
2197                                 nbv->listParams.get());
2198
2199     nbv->nbs = gmx::compat::make_unique<nbnxn_search>(DOMAINDECOMP(cr) ? &cr->dd->nc : nullptr,
2200                                                       DOMAINDECOMP(cr) ? domdec_zones(cr->dd) : nullptr,
2201                                                       bFEP_NonBonded,
2202                                                       gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch));
2203
2204     gpu_set_host_malloc_and_free(nbv->grp[0].kernel_type == nbnxnk8x8x8_GPU,
2205                                  &nb_alloc, &nb_free);
2206
2207     for (int i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2208     {
2209         nbnxn_init_pairlist_set(&nbv->grp[i].nbl_lists,
2210                                 nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2211                                 /* 8x8x8 "non-simple" lists are ATM always combined */
2212                                 !nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2213                                 nb_alloc, nb_free);
2214     }
2215
2216     int      enbnxninitcombrule;
2217     if (fr->ic->vdwtype == evdwCUT &&
2218         (fr->ic->vdw_modifier == eintmodNONE ||
2219          fr->ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) &&
2220         getenv("GMX_NO_LJ_COMB_RULE") == nullptr)
2221     {
2222         /* Plain LJ cut-off: we can optimize with combination rules */
2223         enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleDETECT;
2224     }
2225     else if (fr->ic->vdwtype == evdwPME)
2226     {
2227         /* LJ-PME: we need to use a combination rule for the grid */
2228         if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeGEOM)
2229         {
2230             enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleGEOM;
2231         }
2232         else
2233         {
2234             enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleLB;
2235         }
2236     }
2237     else
2238     {
2239         /* We use a full combination matrix: no rule required */
2240         enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleNONE;
2241     }
2242
2243     snew(nbv->nbat, 1);
2244     int mimimumNumEnergyGroupNonbonded = ir->opts.ngener;
2245     if (ir->opts.ngener - ir->nwall == 1)
2246     {
2247         /* We have only one non-wall energy group, we do not need energy group
2248          * support in the non-bondeds kernels, since all non-bonded energy
2249          * contributions go to the first element of the energy group matrix.
2250          */
2251         mimimumNumEnergyGroupNonbonded = 1;
2252     }
2253     bool bSimpleList = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[0].kernel_type);
2254     nbnxn_atomdata_init(mdlog,
2255                         nbv->nbat,
2256                         nbv->grp[0].kernel_type,
2257                         enbnxninitcombrule,
2258                         fr->ntype, fr->nbfp,
2259                         mimimumNumEnergyGroupNonbonded,
2260                         bSimpleList ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : 1,
2261                         nb_alloc, nb_free);
2262
2263     if (nbv->bUseGPU)
2264     {
2265         /* init the NxN GPU data; the last argument tells whether we'll have
2266          * both local and non-local NB calculation on GPU */
2267         nbnxn_gpu_init(&nbv->gpu_nbv,
2268                        deviceInfo,
2269                        fr->ic,
2270                        nbv->listParams.get(),
2271                        nbv->nbat,
2272                        cr->nodeid,
2273                        (nbv->ngrp > 1));
2274
2275         if ((env = getenv("GMX_NB_MIN_CI")) != nullptr)
2276         {
2277             char *end;
2278
2279             nbv->min_ci_balanced = strtol(env, &end, 10);
2280             if (!end || (*end != 0) || nbv->min_ci_balanced < 0)
2281             {
2282                 gmx_fatal(FARGS, "Invalid value passed in GMX_NB_MIN_CI=%s, non-negative integer required", env);
2283             }
2284
2285             if (debug)
2286             {
2287                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (passed as env. var.)\n",
2288                         nbv->min_ci_balanced);
2289             }
2290         }
2291         else
2292         {
2293             nbv->min_ci_balanced = nbnxn_gpu_min_ci_balanced(nbv->gpu_nbv);
2294             if (debug)
2295             {
2296                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (auto-adjusted to the number of GPU multi-processors)\n",
2297                         nbv->min_ci_balanced);
2298             }
2299         }
2300
2301     }
2302
2303     *nb_verlet = nbv;
2304 }
2305
2306 gmx_bool usingGpu(nonbonded_verlet_t *nbv)
2307 {
2308     return nbv != nullptr && nbv->bUseGPU;
2309 }
2310
2311 void init_forcerec(FILE                             *fp,
2312                    const gmx::MDLogger              &mdlog,
2313                    t_forcerec                       *fr,
2314                    t_fcdata                         *fcd,
2315                    const t_inputrec                 *ir,
2316                    const gmx_mtop_t                 *mtop,
2317                    const t_commrec                  *cr,
2318                    matrix                            box,
2319                    const char                       *tabfn,
2320                    const char                       *tabpfn,
2321                    gmx::ArrayRef<const std::string>  tabbfnm,
2322                    const gmx_hw_info_t              &hardwareInfo,
2323                    const gmx_device_info_t          *deviceInfo,
2324                    gmx_bool                          bNoSolvOpt,
2325                    real                              print_force)
2326 {
2327     int            m, negp_pp, negptable, egi, egj;
2328     real           rtab;
2329     char          *env;
2330     double         dbl;
2331     const t_block *cgs;
2332     gmx_bool       bGenericKernelOnly;
2333     gmx_bool       needGroupSchemeTables, bSomeNormalNbListsAreInUse;
2334     gmx_bool       bFEP_NonBonded;
2335     int           *nm_ind, egp_flags;
2336
2337     /* By default we turn SIMD kernels on, but it might be turned off further down... */
2338     fr->use_simd_kernels = TRUE;
2339
2340     fr->bDomDec = DOMAINDECOMP(cr);
2341
2342     if (check_box(ir->ePBC, box))
2343     {
2344         gmx_fatal(FARGS, check_box(ir->ePBC, box));
2345     }
2346
2347     /* Test particle insertion ? */
2348     if (EI_TPI(ir->eI))
2349     {
2350         /* Set to the size of the molecule to be inserted (the last one) */
2351         /* Because of old style topologies, we have to use the last cg
2352          * instead of the last molecule type.
2353          */
2354         cgs       = &mtop->moltype[mtop->molblock.back().type].cgs;
2355         fr->n_tpi = cgs->index[cgs->nr] - cgs->index[cgs->nr-1];
2356         gmx::BlockRanges molecules = gmx_mtop_molecules(*mtop);
2357         if (fr->n_tpi != molecules.index[molecules.numBlocks()] - molecules.index[molecules.numBlocks() - 1])
2358         {
2359             gmx_fatal(FARGS, "The molecule to insert can not consist of multiple charge groups.\nMake it a single charge group.");
2360         }
2361     }
2362     else
2363     {
2364         fr->n_tpi = 0;
2365     }
2366
2367     if (ir->coulombtype == eelRF_NEC_UNSUPPORTED)
2368     {
2369         gmx_fatal(FARGS, "%s electrostatics is no longer supported",
2370                   eel_names[ir->coulombtype]);
2371     }
2372
2373     if (ir->bAdress)
2374     {
2375         gmx_fatal(FARGS, "AdResS simulations are no longer supported");
2376     }
2377     if (ir->useTwinRange)
2378     {
2379         gmx_fatal(FARGS, "Twin-range simulations are no longer supported");
2380     }
2381     /* Copy the user determined parameters */
2382     fr->userint1  = ir->userint1;
2383     fr->userint2  = ir->userint2;
2384     fr->userint3  = ir->userint3;
2385     fr->userint4  = ir->userint4;
2386     fr->userreal1 = ir->userreal1;
2387     fr->userreal2 = ir->userreal2;
2388     fr->userreal3 = ir->userreal3;
2389     fr->userreal4 = ir->userreal4;
2390
2391     /* Shell stuff */
2392     fr->fc_stepsize = ir->fc_stepsize;
2393
2394     /* Free energy */
2395     fr->efep        = ir->efep;
2396     fr->sc_alphavdw = ir->fepvals->sc_alpha;
2397     if (ir->fepvals->bScCoul)
2398     {
2399         fr->sc_alphacoul  = ir->fepvals->sc_alpha;
2400         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma_min);
2401     }
2402     else
2403     {
2404         fr->sc_alphacoul  = 0;
2405         fr->sc_sigma6_min = 0; /* only needed when bScCoul is on */
2406     }
2407     fr->sc_power      = ir->fepvals->sc_power;
2408     fr->sc_r_power    = ir->fepvals->sc_r_power;
2409     fr->sc_sigma6_def = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma);
2410
2411     env = getenv("GMX_SCSIGMA_MIN");
2412     if (env != nullptr)
2413     {
2414         dbl = 0;
2415         sscanf(env, "%20lf", &dbl);
2416         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(dbl);
2417         if (fp)
2418         {
2419             fprintf(fp, "Setting the minimum soft core sigma to %g nm\n", dbl);
2420         }
2421     }
2422
2423     fr->bNonbonded = TRUE;
2424     if (getenv("GMX_NO_NONBONDED") != nullptr)
2425     {
2426         /* turn off non-bonded calculations */
2427         fr->bNonbonded = FALSE;
2428         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(
2429                 "Found environment variable GMX_NO_NONBONDED.\n"
2430                 "Disabling nonbonded calculations.");
2431     }
2432
2433     bGenericKernelOnly = FALSE;
2434
2435     /* We now check in the NS code whether a particular combination of interactions
2436      * can be used with water optimization, and disable it if that is not the case.
2437      */
2438
2439     if (getenv("GMX_NB_GENERIC") != nullptr)
2440     {
2441         if (fp != nullptr)
2442         {
2443             fprintf(fp,
2444                     "Found environment variable GMX_NB_GENERIC.\n"
2445                     "Disabling all interaction-specific nonbonded kernels, will only\n"
2446                     "use the slow generic ones in src/gmxlib/nonbonded/nb_generic.c\n\n");
2447         }
2448         bGenericKernelOnly = TRUE;
2449     }
2450
2451     if (bGenericKernelOnly == TRUE)
2452     {
2453         bNoSolvOpt         = TRUE;
2454     }
2455
2456     if ( (getenv("GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS") != nullptr) || (getenv("GMX_NOOPTIMIZEDKERNELS") != nullptr) )
2457     {
2458         fr->use_simd_kernels = FALSE;
2459         if (fp != nullptr)
2460         {
2461             fprintf(fp,
2462                     "\nFound environment variable GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS.\n"
2463                     "Disabling the usage of any SIMD-specific non-bonded & bonded kernel routines\n"
2464                     "(e.g. SSE2/SSE4.1/AVX).\n\n");
2465         }
2466     }
2467
2468     fr->bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2469
2470     /* Check if we can/should do all-vs-all kernels */
2471     fr->bAllvsAll       = can_use_allvsall(ir, FALSE, nullptr, nullptr);
2472     fr->AllvsAll_work   = nullptr;
2473
2474     /* All-vs-all kernels have not been implemented in 4.6 and later.
2475      * See Redmine #1249. */
2476     if (fr->bAllvsAll)
2477     {
2478         fr->bAllvsAll            = FALSE;
2479         if (fp != nullptr)
2480         {
2481             fprintf(fp,
2482                     "\nYour simulation settings would have triggered the efficient all-vs-all\n"
2483                     "kernels in GROMACS 4.5, but these have not been implemented in GROMACS\n"
2484                     "4.6 and 5.x. If performance is important, please use GROMACS 4.5.7\n"
2485                     "or try cutoff-scheme = Verlet.\n\n");
2486         }
2487     }
2488
2489     /* Neighbour searching stuff */
2490     fr->cutoff_scheme = ir->cutoff_scheme;
2491     fr->bGrid         = (ir->ns_type == ensGRID);
2492     fr->ePBC          = ir->ePBC;
2493
2494     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2495     {
2496         const char *note = "NOTE: This file uses the deprecated 'group' cutoff_scheme. This will be\n"
2497             "removed in a future release when 'verlet' supports all interaction forms.\n";
2498
2499         if (MASTER(cr))
2500         {
2501             fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
2502         }
2503         if (fp != nullptr)
2504         {
2505             fprintf(fp, "\n%s\n", note);
2506         }
2507     }
2508
2509     /* Determine if we will do PBC for distances in bonded interactions */
2510     if (fr->ePBC == epbcNONE)
2511     {
2512         fr->bMolPBC = FALSE;
2513     }
2514     else
2515     {
2516         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2517         {
2518             gmx_bool bSHAKE;
2519
2520             bSHAKE = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
2521                       (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) > 0 ||
2522                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC) > 0));
2523
2524             /* The group cut-off scheme and SHAKE assume charge groups
2525              * are whole, but not using molpbc is faster in most cases.
2526              * With intermolecular interactions we need PBC for calculating
2527              * distances between atoms in different molecules.
2528              */
2529             if ((fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP || bSHAKE) &&
2530                 !mtop->bIntermolecularInteractions)
2531             {
2532                 fr->bMolPBC = ir->bPeriodicMols;
2533
2534                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2535                 {
2536                     gmx_fatal(FARGS, "SHAKE is not supported with periodic molecules");
2537                 }
2538             }
2539             else
2540             {
2541                 /* Not making molecules whole is faster in most cases,
2542                  * but With orientation restraints we need whole molecules.
2543                  */
2544                 fr->bMolPBC = (fcd->orires.nr == 0);
2545
2546                 if (getenv("GMX_USE_GRAPH") != nullptr)
2547                 {
2548                     fr->bMolPBC = FALSE;
2549                     if (fp)
2550                     {
2551                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("GMX_USE_GRAPH is set, using the graph for bonded interactions");
2552                     }
2553
2554                     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2555                     {
2556                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("WARNING: Molecules linked by intermolecular interactions have to reside in the same periodic image, otherwise artifacts will occur!");
2557                     }
2558                 }
2559
2560                 GMX_RELEASE_ASSERT(fr->bMolPBC || !mtop->bIntermolecularInteractions, "We need to use PBC within molecules with inter-molecular interactions");
2561
2562                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2563                 {
2564                     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");
2565                 }
2566             }
2567         }
2568         else
2569         {
2570             fr->bMolPBC = dd_bonded_molpbc(cr->dd, fr->ePBC);
2571         }
2572     }
2573
2574     fr->rc_scaling = ir->refcoord_scaling;
2575     copy_rvec(ir->posres_com, fr->posres_com);
2576     copy_rvec(ir->posres_comB, fr->posres_comB);
2577     fr->rlist                    = cutoff_inf(ir->rlist);
2578     fr->ljpme_combination_rule   = ir->ljpme_combination_rule;
2579
2580     /* This now calculates sum for q and c6*/
2581     bool systemHasNetCharge = set_chargesum(fp, fr, mtop);
2582
2583     /* fr->ic is used both by verlet and group kernels (to some extent) now */
2584     init_interaction_const(fp, &fr->ic, ir, mtop, systemHasNetCharge);
2585     init_interaction_const_tables(fp, fr->ic, ir->rlist + ir->tabext);
2586
2587     const interaction_const_t *ic = fr->ic;
2588
2589     /* TODO: Replace this Ewald table or move it into interaction_const_t */
2590     if (ir->coulombtype == eelEWALD)
2591     {
2592         init_ewald_tab(&(fr->ewald_table), ir, fp);
2593     }
2594
2595     /* Electrostatics: Translate from interaction-setting-in-mdp-file to kernel interaction format */
2596     switch (ic->eeltype)
2597     {
2598         case eelCUT:
2599             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_COULOMB;
2600             break;
2601
2602         case eelRF:
2603         case eelGRF:
2604             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2605             break;
2606
2607         case eelRF_ZERO:
2608             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2609             GMX_RELEASE_ASSERT(ic->coulomb_modifier == eintmodEXACTCUTOFF, "With the group scheme RF-zero needs the exact cut-off modifier");
2610             break;
2611
2612         case eelSWITCH:
2613         case eelSHIFT:
2614         case eelUSER:
2615         case eelENCADSHIFT:
2616         case eelPMESWITCH:
2617         case eelPMEUSER:
2618         case eelPMEUSERSWITCH:
2619             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2620             break;
2621
2622         case eelPME:
2623         case eelP3M_AD:
2624         case eelEWALD:
2625             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_EWALD;
2626             break;
2627
2628         default:
2629             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported electrostatic interaction: %s", eel_names[ic->eeltype]);
2630             break;
2631     }
2632     fr->nbkernel_elec_modifier = ic->coulomb_modifier;
2633
2634     /* Vdw: Translate from mdp settings to kernel format */
2635     switch (ic->vdwtype)
2636     {
2637         case evdwCUT:
2638             if (fr->bBHAM)
2639             {
2640                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_BUCKINGHAM;
2641             }
2642             else
2643             {
2644                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LENNARDJONES;
2645             }
2646             break;
2647         case evdwPME:
2648             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LJEWALD;
2649             break;
2650
2651         case evdwSWITCH:
2652         case evdwSHIFT:
2653         case evdwUSER:
2654         case evdwENCADSHIFT:
2655             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2656             break;
2657
2658         default:
2659             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported vdw interaction: %s", evdw_names[ic->vdwtype]);
2660             break;
2661     }
2662     fr->nbkernel_vdw_modifier = ic->vdw_modifier;
2663
2664     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2665     {
2666         fr->bvdwtab    = ((ic->vdwtype != evdwCUT || !gmx_within_tol(ic->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2667                           && !EVDW_PME(ic->vdwtype));
2668         /* We have special kernels for standard Ewald and PME, but the pme-switch ones are tabulated above */
2669         fr->bcoultab   = !(ic->eeltype == eelCUT ||
2670                            ic->eeltype == eelEWALD ||
2671                            ic->eeltype == eelPME ||
2672                            ic->eeltype == eelP3M_AD ||
2673                            ic->eeltype == eelRF ||
2674                            ic->eeltype == eelRF_ZERO);
2675
2676         /* If the user absolutely wants different switch/shift settings for coul/vdw, it is likely
2677          * going to be faster to tabulate the interaction than calling the generic kernel.
2678          * However, if generic kernels have been requested we keep things analytically.
2679          */
2680         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2681             fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2682             bGenericKernelOnly == FALSE)
2683         {
2684             if ((ic->rcoulomb_switch != ic->rvdw_switch) || (ic->rcoulomb != ic->rvdw))
2685             {
2686                 fr->bcoultab = TRUE;
2687                 /* Once we tabulate electrostatics, we can use the switch function for LJ,
2688                  * which would otherwise need two tables.
2689                  */
2690             }
2691         }
2692         else if ((fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSHIFT && fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) ||
2693                  ((fr->nbkernel_elec_interaction == GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD &&
2694                    fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodEXACTCUTOFF &&
2695                    (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT))))
2696         {
2697             if ((ic->rcoulomb != ic->rvdw) && (bGenericKernelOnly == FALSE))
2698             {
2699                 fr->bcoultab = TRUE;
2700             }
2701         }
2702
2703         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2704         {
2705             fr->bcoultab = TRUE;
2706         }
2707         if (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2708         {
2709             fr->bvdwtab = TRUE;
2710         }
2711
2712         if (getenv("GMX_REQUIRE_TABLES"))
2713         {
2714             fr->bvdwtab  = TRUE;
2715             fr->bcoultab = TRUE;
2716         }
2717
2718         if (fp)
2719         {
2720             fprintf(fp, "Table routines are used for coulomb: %s\n",
2721                     gmx::boolToString(fr->bcoultab));
2722             fprintf(fp, "Table routines are used for vdw:     %s\n",
2723                     gmx::boolToString(fr->bvdwtab));
2724         }
2725
2726         if (fr->bvdwtab == TRUE)
2727         {
2728             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2729             fr->nbkernel_vdw_modifier    = eintmodNONE;
2730         }
2731         if (fr->bcoultab == TRUE)
2732         {
2733             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2734             fr->nbkernel_elec_modifier    = eintmodNONE;
2735         }
2736     }
2737
2738     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2739     {
2740         if (!gmx_within_tol(ic->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2741         {
2742             gmx_fatal(FARGS, "Cut-off scheme %S only supports LJ repulsion power 12", ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2743         }
2744         /* Older tpr files can contain Coulomb user tables with the Verlet cutoff-scheme,
2745          * while mdrun does not (and never did) support this.
2746          */
2747         if (EEL_USER(fr->ic->eeltype))
2748         {
2749             gmx_fatal(FARGS, "Combination of %s and cutoff scheme %s is not supported",
2750                       eel_names[ir->coulombtype], ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2751         }
2752
2753         fr->bvdwtab  = FALSE;
2754         fr->bcoultab = FALSE;
2755     }
2756
2757     /* 1-4 interaction electrostatics */
2758     fr->fudgeQQ = mtop->ffparams.fudgeQQ;
2759
2760     /* Parameters for generalized RF */
2761     fr->zsquare = 0.0;
2762     fr->temp    = 0.0;
2763
2764     if (ic->eeltype == eelGRF)
2765     {
2766         init_generalized_rf(fp, mtop, ir, fr);
2767     }
2768
2769     fr->haveDirectVirialContributions =
2770         (EEL_FULL(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype) ||
2771          fr->forceProviders->hasForceProvider() ||
2772          gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_POSRES) > 0 ||
2773          gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_FBPOSRES) > 0 ||
2774          ir->bPull ||
2775          ir->bRot ||
2776          ir->bIMD);
2777
2778     if (fr->haveDirectVirialContributions)
2779     {
2780         fr->forceBufferForDirectVirialContributions = new std::vector<gmx::RVec>;
2781     }
2782
2783     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2784         ncg_mtop(mtop) > fr->cg_nalloc && !DOMAINDECOMP(cr))
2785     {
2786         /* Count the total number of charge groups */
2787         fr->cg_nalloc = ncg_mtop(mtop);
2788         srenew(fr->cg_cm, fr->cg_nalloc);
2789     }
2790     if (fr->shift_vec == nullptr)
2791     {
2792         snew(fr->shift_vec, SHIFTS);
2793     }
2794
2795     if (fr->fshift == nullptr)
2796     {
2797         snew(fr->fshift, SHIFTS);
2798     }
2799
2800     if (fr->nbfp == nullptr)
2801     {
2802         fr->ntype = mtop->ffparams.atnr;
2803         fr->nbfp  = mk_nbfp(&mtop->ffparams, fr->bBHAM);
2804         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2805         {
2806             fr->ljpme_c6grid  = make_ljpme_c6grid(&mtop->ffparams, fr);
2807         }
2808     }
2809
2810     /* Copy the energy group exclusions */
2811     fr->egp_flags = ir->opts.egp_flags;
2812
2813     /* Van der Waals stuff */
2814     if ((ic->vdwtype != evdwCUT) && (ic->vdwtype != evdwUSER) && !fr->bBHAM)
2815     {
2816         if (ic->rvdw_switch >= ic->rvdw)
2817         {
2818             gmx_fatal(FARGS, "rvdw_switch (%f) must be < rvdw (%f)",
2819                       ic->rvdw_switch, ic->rvdw);
2820         }
2821         if (fp)
2822         {
2823             fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones, switch between %g and %g nm\n",
2824                     (ic->eeltype == eelSWITCH) ? "switched" : "shifted",
2825                     ic->rvdw_switch, ic->rvdw);
2826         }
2827     }
2828
2829     if (fr->bBHAM && EVDW_PME(ic->vdwtype))
2830     {
2831         gmx_fatal(FARGS, "LJ PME not supported with Buckingham");
2832     }
2833
2834     if (fr->bBHAM && (ic->vdwtype == evdwSHIFT || ic->vdwtype == evdwSWITCH))
2835     {
2836         gmx_fatal(FARGS, "Switch/shift interaction not supported with Buckingham");
2837     }
2838
2839     if (fr->bBHAM && fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2840     {
2841         gmx_fatal(FARGS, "Verlet cutoff-scheme is not supported with Buckingham");
2842     }
2843
2844     if (fp && fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2845     {
2846         fprintf(fp, "Cut-off's:   NS: %g   Coulomb: %g   %s: %g\n",
2847                 fr->rlist, ic->rcoulomb, fr->bBHAM ? "BHAM" : "LJ", ic->rvdw);
2848     }
2849
2850     fr->eDispCorr = ir->eDispCorr;
2851     fr->numAtomsForDispersionCorrection = mtop->natoms;
2852     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
2853     {
2854         set_avcsixtwelve(fp, fr, mtop);
2855     }
2856
2857     if (ir->implicit_solvent)
2858     {
2859         gmx_fatal(FARGS, "Implict solvation is no longer supported.");
2860     }
2861
2862     /* Construct tables for the group scheme. A little unnecessary to
2863      * make both vdw and coul tables sometimes, but what the
2864      * heck. Note that both cutoff schemes construct Ewald tables in
2865      * init_interaction_const_tables. */
2866     needGroupSchemeTables = (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2867                              (fr->bcoultab || fr->bvdwtab));
2868
2869     negp_pp   = ir->opts.ngener - ir->nwall;
2870     negptable = 0;
2871     if (!needGroupSchemeTables)
2872     {
2873         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2874         fr->nnblists               = 1;
2875     }
2876     else
2877     {
2878         bSomeNormalNbListsAreInUse = FALSE;
2879         for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
2880         {
2881             for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
2882             {
2883                 egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
2884                 if (!(egp_flags & EGP_EXCL))
2885                 {
2886                     if (egp_flags & EGP_TABLE)
2887                     {
2888                         negptable++;
2889                     }
2890                     else
2891                     {
2892                         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2893                     }
2894                 }
2895             }
2896         }
2897         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
2898         {
2899             fr->nnblists = negptable + 1;
2900         }
2901         else
2902         {
2903             fr->nnblists = negptable;
2904         }
2905         if (fr->nnblists > 1)
2906         {
2907             snew(fr->gid2nblists, ir->opts.ngener*ir->opts.ngener);
2908         }
2909     }
2910
2911     snew(fr->nblists, fr->nnblists);
2912
2913     /* This code automatically gives table length tabext without cut-off's,
2914      * in that case grompp should already have checked that we do not need
2915      * normal tables and we only generate tables for 1-4 interactions.
2916      */
2917     rtab = ir->rlist + ir->tabext;
2918
2919     if (needGroupSchemeTables)
2920     {
2921         /* make tables for ordinary interactions */
2922         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
2923         {
2924             make_nbf_tables(fp, ic, rtab, tabfn, nullptr, nullptr, &fr->nblists[0]);
2925             m = 1;
2926         }
2927         else
2928         {
2929             m = 0;
2930         }
2931         if (negptable > 0)
2932         {
2933             /* Read the special tables for certain energy group pairs */
2934             nm_ind = mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind;
2935             for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
2936             {
2937                 for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
2938                 {
2939                     egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
2940                     if ((egp_flags & EGP_TABLE) && !(egp_flags & EGP_EXCL))
2941                     {
2942                         if (fr->nnblists > 1)
2943                         {
2944                             fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = m;
2945                         }
2946                         /* Read the table file with the two energy groups names appended */
2947                         make_nbf_tables(fp, ic, rtab, tabfn,
2948                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
2949                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
2950                                         &fr->nblists[m]);
2951                         m++;
2952                     }
2953                     else if (fr->nnblists > 1)
2954                     {
2955                         fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = 0;
2956                     }
2957                 }
2958             }
2959         }
2960     }
2961
2962     /* Tables might not be used for the potential modifier
2963      * interactions per se, but we still need them to evaluate
2964      * switch/shift dispersion corrections in this case. */
2965     if (fr->eDispCorr != edispcNO)
2966     {
2967         fr->dispersionCorrectionTable = makeDispersionCorrectionTable(fp, ic, rtab, tabfn);
2968     }
2969
2970     /* We want to use unmodified tables for 1-4 coulombic
2971      * interactions, so we must in general have an extra set of
2972      * tables. */
2973     if (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJ14) > 0 ||
2974         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC14_Q) > 0 ||
2975         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC_PAIRS_NB) > 0)
2976     {
2977         fr->pairsTable = make_tables(fp, ic, tabpfn, rtab,
2978                                      GMX_MAKETABLES_14ONLY);
2979     }
2980
2981     /* Wall stuff */
2982     fr->nwall = ir->nwall;
2983     if (ir->nwall && ir->wall_type == ewtTABLE)
2984     {
2985         make_wall_tables(fp, ir, tabfn, &mtop->groups, fr);
2986     }
2987
2988     if (fcd && !tabbfnm.empty())
2989     {
2990         // Need to catch std::bad_alloc
2991         // TODO Don't need to catch this here, when merging with master branch
2992         try
2993         {
2994             fcd->bondtab  = make_bonded_tables(fp,
2995                                                F_TABBONDS, F_TABBONDSNC,
2996                                                mtop, tabbfnm, "b");
2997             fcd->angletab = make_bonded_tables(fp,
2998                                                F_TABANGLES, -1,
2999                                                mtop, tabbfnm, "a");
3000             fcd->dihtab   = make_bonded_tables(fp,
3001                                                F_TABDIHS, -1,
3002                                                mtop, tabbfnm, "d");
3003         }
3004         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
3005     }
3006     else
3007     {
3008         if (debug)
3009         {
3010             fprintf(debug, "No fcdata or table file name passed, can not read table, can not do bonded interactions\n");
3011         }
3012     }
3013
3014     /* QM/MM initialization if requested
3015      */
3016     if (ir->bQMMM)
3017     {
3018         fprintf(stderr, "QM/MM calculation requested.\n");
3019     }
3020
3021     fr->bQMMM      = ir->bQMMM;
3022     fr->qr         = mk_QMMMrec();
3023
3024     /* Set all the static charge group info */
3025     fr->cginfo_mb = init_cginfo_mb(fp, mtop, fr, bNoSolvOpt,
3026                                    &bFEP_NonBonded,
3027                                    &fr->bExcl_IntraCGAll_InterCGNone);
3028     if (DOMAINDECOMP(cr))
3029     {
3030         fr->cginfo = nullptr;
3031     }
3032     else
3033     {
3034         fr->cginfo = cginfo_expand(mtop->molblock.size(), fr->cginfo_mb);
3035     }
3036
3037     if (!DOMAINDECOMP(cr))
3038     {
3039         forcerec_set_ranges(fr, ncg_mtop(mtop), ncg_mtop(mtop),
3040                             mtop->natoms, mtop->natoms, mtop->natoms);
3041     }
3042
3043     fr->print_force = print_force;
3044
3045
3046     /* coarse load balancing vars */
3047     fr->t_fnbf    = 0.;
3048     fr->t_wait    = 0.;
3049     fr->timesteps = 0;
3050
3051     /* Initialize neighbor search */
3052     snew(fr->ns, 1);
3053     init_ns(fp, cr, fr->ns, fr, mtop);
3054
3055     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
3056     {
3057         gmx_nonbonded_setup(fr, bGenericKernelOnly);
3058     }
3059
3060     /* Initialize the thread working data for bonded interactions */
3061     init_bonded_threading(fp, mtop->groups.grps[egcENER].nr,
3062                           &fr->bonded_threading);
3063
3064     fr->nthread_ewc = gmx_omp_nthreads_get(emntBonded);
3065     snew(fr->ewc_t, fr->nthread_ewc);
3066
3067     if (fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
3068     {
3069         // We checked the cut-offs in grompp, but double-check here.
3070         // We have PME+LJcutoff kernels for rcoulomb>rvdw.
3071         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) && ir->vdwtype == eelCUT)
3072         {
3073             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb >= ir->rvdw, "With Verlet lists and PME we should have rcoulomb>=rvdw");
3074         }
3075         else
3076         {
3077             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb == ir->rvdw, "With Verlet lists and no PME rcoulomb and rvdw should be identical");
3078         }
3079
3080         init_nb_verlet(mdlog, &fr->nbv, bFEP_NonBonded, ir, fr,
3081                        cr, hardwareInfo, deviceInfo,
3082                        mtop, box);
3083     }
3084
3085     if (fp != nullptr)
3086     {
3087         /* Here we switch from using mdlog, which prints the newline before
3088          * the paragraph, to our old fprintf logging, which prints the newline
3089          * after the paragraph, so we should add a newline here.
3090          */
3091         fprintf(fp, "\n");
3092     }
3093
3094     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
3095     {
3096         calc_enervirdiff(fp, ir->eDispCorr, fr);
3097     }
3098 }
3099
3100 /* Frees GPU memory and sets a tMPI node barrier.
3101  *
3102  * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
3103  * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
3104  * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
3105  * \todo Remove physical node barrier from this function after making sure
3106  * that it's not needed anymore (with a shared GPU run).
3107  */
3108 void free_gpu_resources(const t_forcerec                    *fr,
3109                         const gmx::PhysicalNodeCommunicator &physicalNodeCommunicator)
3110 {
3111     bool isPPrankUsingGPU = fr && fr->nbv && fr->nbv->bUseGPU;
3112
3113     /* stop the GPU profiler (only CUDA) */
3114     stopGpuProfiler();
3115
3116     if (isPPrankUsingGPU)
3117     {
3118         /* free nbnxn data in GPU memory */
3119         nbnxn_gpu_free(fr->nbv->gpu_nbv);
3120     }
3121
3122     /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
3123      * destroying the CUDA context in free_gpu() as some tMPI ranks may be sharing
3124      * GPU and context.
3125      *
3126      * This is not a concern in OpenCL where we use one context per rank which
3127      * is freed in nbnxn_gpu_free().
3128      *
3129      * Note: it is safe to not call the barrier on the ranks which do not use GPU,
3130      * but it is easier and more futureproof to call it on the whole node.
3131      */
3132     if (GMX_THREAD_MPI)
3133     {
3134         physicalNodeCommunicator.barrier();
3135     }
3136 }
3137
3138 void done_forcerec(t_forcerec *fr, int numMolBlocks, int numEnergyGroups)
3139 {
3140     if (fr == nullptr)
3141     {
3142         // PME-only ranks don't have a forcerec
3143         return;
3144     }
3145     done_cginfo_mb(fr->cginfo_mb, numMolBlocks);
3146     sfree(fr->nbfp);
3147     done_interaction_const(fr->ic);
3148     sfree(fr->shift_vec);
3149     sfree(fr->fshift);
3150     sfree(fr->nblists);
3151     done_ns(fr->ns, numEnergyGroups);
3152     sfree(fr->ewc_t);
3153     sfree(fr);
3154 }