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/rf_util.h"
  83 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  84 #include "gromacs/mdlib/wall.h"
  85 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  86 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
  87 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  88 #include "gromacs/mdtypes/iforceprovider.h"
  89 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  90 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  91 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  92 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  93 #include "gromacs/simd/simd.h"
  94 #include "gromacs/tables/forcetable.h"
  95 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  96 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
  97 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  98 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  99 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
 100 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
 101 #include "gromacs/utility/logger.h"
 102 #include "gromacs/utility/physicalnodecommunicator.h"
 103 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
 104 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
 105 #include "gromacs/utility/strconvert.h"
 106
 107 #include "nbnxn_gpu_jit_support.h"
 108
 109 const char *egrp_nm[egNR+1] = {
 110     "Coul-SR", "LJ-SR", "Buck-SR",
 111     "Coul-14", "LJ-14", nullptr
 112 };
 113
 114 t_forcerec *mk_forcerec(void)
 115 {
 116     t_forcerec *fr;
 117
 118     snew(fr, 1);
 119
 120     return fr;
 121 }
 122
 123 static real *mk_nbfp(const gmx_ffparams_t *idef, gmx_bool bBHAM)
 124 {
 125     real *nbfp;
 126     int   i, j, k, atnr;
 127
 128     atnr = idef->atnr;
 129     if (bBHAM)
 130     {
 131         snew(nbfp, 3*atnr*atnr);
 132         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 133         {
 134             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 135             {
 136                 BHAMA(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.a;
 137                 BHAMB(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.b;
 138                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
 139                 BHAMC(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.c*6.0;
 140             }
 141         }
 142     }
 143     else
 144     {
 145         snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 146         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 147         {
 148             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 149             {
 150                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
 151                 C6(nbfp, atnr, i, j)   = idef->iparams[k].lj.c6*6.0;
 152                 C12(nbfp, atnr, i, j)  = idef->iparams[k].lj.c12*12.0;
 153             }
 154         }
 155     }
 156
 157     return nbfp;
 158 }
 159
 160 static real *make_ljpme_c6grid(const gmx_ffparams_t *idef, t_forcerec *fr)
 161 {
 162     int        i, j, k, atnr;
 163     real       c6, c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 164     real      *grid;
 165
 166     /* For LJ-PME simulations, we correct the energies with the reciprocal space
 167      * inside of the cut-off. To do this the non-bonded kernels needs to have
 168      * access to the C6-values used on the reciprocal grid in pme.c
 169      */
 170
 171     atnr = idef->atnr;
 172     snew(grid, 2*atnr*atnr);
 173     for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 174     {
 175         for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 176         {
 177             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 178             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 179             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 180             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 181             c6   = std::sqrt(c6i * c6j);
 182             if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB
 183                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12i) && !gmx_numzero(c12j))
 184             {
 185                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 186                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 187                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 188                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 189                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 190             }
 191             /* Store the elements at the same relative positions as C6 in nbfp in order
 192              * to simplify access in the kernels
 193              */
 194             grid[2*(atnr*i+j)] = c6*6.0;
 195         }
 196     }
 197     return grid;
 198 }
 199
 200 static real *mk_nbfp_combination_rule(const gmx_ffparams_t *idef, int comb_rule)
 201 {
 202     real      *nbfp;
 203     int        i, j, atnr;
 204     real       c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 205     real       c6, c12;
 206
 207     atnr = idef->atnr;
 208     snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 209     for (i = 0; i < atnr; ++i)
 210     {
 211         for (j = 0; j < atnr; ++j)
 212         {
 213             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 214             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 215             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 216             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 217             c6   = std::sqrt(c6i  * c6j);
 218             c12  = std::sqrt(c12i * c12j);
 219             if (comb_rule == eCOMB_ARITHMETIC
 220                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12))
 221             {
 222                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 223                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 224                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 225                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 226                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 227                 c12    = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power12(0.5*(sigmai+sigmaj));
 228             }
 229             C6(nbfp, atnr, i, j)   = c6*6.0;
 230             C12(nbfp, atnr, i, j)  = c12*12.0;
 231         }
 232     }
 233     return nbfp;
 234 }
 235
 236 /* This routine sets fr->solvent_opt to the most common solvent in the
 237  * system, e.g. esolSPC or esolTIP4P. It will also mark each charge group in
 238  * the fr->solvent_type array with the correct type (or esolNO).
 239  *
 240  * Charge groups that fulfill the conditions but are not identical to the
 241  * most common one will be marked as esolNO in the solvent_type array.
 242  *
 243  * TIP3p is identical to SPC for these purposes, so we call it
 244  * SPC in the arrays (Apologies to Bill Jorgensen ;-)
 245  *
 246  * NOTE: QM particle should not
 247  * become an optimized solvent. Not even if there is only one charge
 248  * group in the Qm
 249  */
 250
 251 typedef struct
 252 {
 253     int    model;
 254     int    count;
 255     int    vdwtype[4];
 256     real   charge[4];
 257 } solvent_parameters_t;
 258
 259 static void
 260 check_solvent_cg(const gmx_moltype_t    *molt,
 261                  int                     cg0,
 262                  int                     nmol,
 263                  const unsigned char    *qm_grpnr,
 264                  const t_grps           *qm_grps,
 265                  t_forcerec   *          fr,
 266                  int                    *n_solvent_parameters,
 267                  solvent_parameters_t  **solvent_parameters_p,
 268                  int                     cginfo,
 269                  int                    *cg_sp)
 270 {
 271     t_atom               *atom;
 272     int                   j, k;
 273     int                   j0, j1, nj;
 274     gmx_bool              perturbed;
 275     gmx_bool              has_vdw[4];
 276     gmx_bool              match;
 277     real                  tmp_charge[4]  = { 0.0 }; /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 278     int                   tmp_vdwtype[4] = { 0 };   /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 279     int                   tjA;
 280     gmx_bool              qm;
 281     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 282
 283     /* We use a list with parameters for each solvent type.
 284      * Every time we discover a new molecule that fulfills the basic
 285      * conditions for a solvent we compare with the previous entries
 286      * in these lists. If the parameters are the same we just increment
 287      * the counter for that type, and otherwise we create a new type
 288      * based on the current molecule.
 289      *
 290      * Once we've finished going through all molecules we check which
 291      * solvent is most common, and mark all those molecules while we
 292      * clear the flag on all others.
 293      */
 294
 295     solvent_parameters = *solvent_parameters_p;
 296
 297     /* Mark the cg first as non optimized */
 298     *cg_sp = -1;
 299
 300     /* Check if this cg has no exclusions with atoms in other charge groups
 301      * and all atoms inside the charge group excluded.
 302      * We only have 3 or 4 atom solvent loops.
 303      */
 304     if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo) ||
 305         !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo))
 306     {
 307         return;
 308     }
 309
 310     /* Get the indices of the first atom in this charge group */
 311     j0     = molt->cgs.index[cg0];
 312     j1     = molt->cgs.index[cg0+1];
 313
 314     /* Number of atoms in our molecule */
 315     nj     = j1 - j0;
 316
 317     if (debug)
 318     {
 319         fprintf(debug,
 320                 "Moltype '%s': there are %d atoms in this charge group\n",
 321                 *molt->name, nj);
 322     }
 323
 324     /* Check if it could be an SPC (3 atoms) or TIP4p (4) water,
 325      * otherwise skip it.
 326      */
 327     if (nj < 3 || nj > 4)
 328     {
 329         return;
 330     }
 331
 332     /* Check if we are doing QM on this group */
 333     qm = FALSE;
 334     if (qm_grpnr != nullptr)
 335     {
 336         for (j = j0; j < j1 && !qm; j++)
 337         {
 338             qm = (qm_grpnr[j] < qm_grps->nr - 1);
 339         }
 340     }
 341     /* Cannot use solvent optimization with QM */
 342     if (qm)
 343     {
 344         return;
 345     }
 346
 347     atom = molt->atoms.atom;
 348
 349     /* Still looks like a solvent, time to check parameters */
 350
 351     /* If it is perturbed (free energy) we can't use the solvent loops,
 352      * so then we just skip to the next molecule.
 353      */
 354     perturbed = FALSE;
 355
 356     for (j = j0; j < j1 && !perturbed; j++)
 357     {
 358         perturbed = PERTURBED(atom[j]);
 359     }
 360
 361     if (perturbed)
 362     {
 363         return;
 364     }
 365
 366     /* Now it's only a question if the VdW and charge parameters
 367      * are OK. Before doing the check we compare and see if they are
 368      * identical to a possible previous solvent type.
 369      * First we assign the current types and charges.
 370      */
 371     for (j = 0; j < nj; j++)
 372     {
 373         tmp_vdwtype[j] = atom[j0+j].type;
 374         tmp_charge[j]  = atom[j0+j].q;
 375     }
 376
 377     /* Does it match any previous solvent type? */
 378     for (k = 0; k < *n_solvent_parameters; k++)
 379     {
 380         match = TRUE;
 381
 382
 383         /* We can only match SPC with 3 atoms and TIP4p with 4 atoms */
 384         if ( (solvent_parameters[k].model == esolSPC   && nj != 3)  ||
 385              (solvent_parameters[k].model == esolTIP4P && nj != 4) )
 386         {
 387             match = FALSE;
 388         }
 389
 390         /* Check that types & charges match for all atoms in molecule */
 391         for (j = 0; j < nj && match == TRUE; j++)
 392         {
 393             if (tmp_vdwtype[j] != solvent_parameters[k].vdwtype[j])
 394             {
 395                 match = FALSE;
 396             }
 397             if (tmp_charge[j] != solvent_parameters[k].charge[j])
 398             {
 399                 match = FALSE;
 400             }
 401         }
 402         if (match == TRUE)
 403         {
 404             /* Congratulations! We have a matched solvent.
 405              * Flag it with this type for later processing.
 406              */
 407             *cg_sp = k;
 408             solvent_parameters[k].count += nmol;
 409
 410             /* We are done with this charge group */
 411             return;
 412         }
 413     }
 414
 415     /* If we get here, we have a tentative new solvent type.
 416      * Before we add it we must check that it fulfills the requirements
 417      * of the solvent optimized loops. First determine which atoms have
 418      * VdW interactions.
 419      */
 420     for (j = 0; j < nj; j++)
 421     {
 422         has_vdw[j] = FALSE;
 423         tjA        = tmp_vdwtype[j];
 424
 425         /* Go through all other tpes and see if any have non-zero
 426          * VdW parameters when combined with this one.
 427          */
 428         for (k = 0; k < fr->ntype && (has_vdw[j] == FALSE); k++)
 429         {
 430             /* We already checked that the atoms weren't perturbed,
 431              * so we only need to check state A now.
 432              */
 433             if (fr->bBHAM)
 434             {
 435                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 436                               (BHAMA(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 437                               (BHAMB(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 438                               (BHAMC(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 439             }
 440             else
 441             {
 442                 /* Standard LJ */
 443                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 444                               (C6(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k)  != 0.0) ||
 445                               (C12(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 446             }
 447         }
 448     }
 449
 450     /* Now we know all we need to make the final check and assignment. */
 451     if (nj == 3)
 452     {
 453         /* So, is it an SPC?
 454          * For this we require thatn all atoms have charge,
 455          * the charges on atom 2 & 3 should be the same, and only
 456          * atom 1 might have VdW.
 457          */
 458         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 459             has_vdw[2] == FALSE &&
 460             tmp_charge[0]  != 0 &&
 461             tmp_charge[1]  != 0 &&
 462             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1])
 463         {
 464             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 465             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolSPC;
 466             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 467             for (k = 0; k < 3; k++)
 468             {
 469                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 470                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 471             }
 472
 473             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 474             (*n_solvent_parameters)++;
 475         }
 476     }
 477     else if (nj == 4)
 478     {
 479         /* Or could it be a TIP4P?
 480          * For this we require thatn atoms 2,3,4 have charge, but not atom 1.
 481          * Only atom 1 mght have VdW.
 482          */
 483         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 484             has_vdw[2] == FALSE &&
 485             has_vdw[3] == FALSE &&
 486             tmp_charge[0]  == 0 &&
 487             tmp_charge[1]  != 0 &&
 488             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1] &&
 489             tmp_charge[3]  != 0)
 490         {
 491             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 492             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolTIP4P;
 493             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 494             for (k = 0; k < 4; k++)
 495             {
 496                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 497                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 498             }
 499
 500             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 501             (*n_solvent_parameters)++;
 502         }
 503     }
 504
 505     *solvent_parameters_p = solvent_parameters;
 506 }
 507
 508 static void
 509 check_solvent(FILE  *                fp,
 510               const gmx_mtop_t  *    mtop,
 511               t_forcerec  *          fr,
 512               cginfo_mb_t           *cginfo_mb)
 513 {
 514     const t_block     *   cgs;
 515     const gmx_moltype_t  *molt;
 516     int                   mol, cg_mol, at_offset, am, cgm, i, nmol_ch, nmol;
 517     int                   n_solvent_parameters;
 518     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 519     int                 **cg_sp;
 520     int                   bestsp, bestsol;
 521
 522     if (debug)
 523     {
 524         fprintf(debug, "Going to determine what solvent types we have.\n");
 525     }
 526
 527     n_solvent_parameters = 0;
 528     solvent_parameters   = nullptr;
 529     /* Allocate temporary array for solvent type */
 530     snew(cg_sp, mtop->molblock.size());
 531
 532     at_offset = 0;
 533     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 534     {
 535         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 536         cgs  = &molt->cgs;
 537         /* Here we have to loop over all individual molecules
 538          * because we need to check for QMMM particles.
 539          */
 540         snew(cg_sp[mb], cginfo_mb[mb].cg_mod);
 541         nmol_ch = cginfo_mb[mb].cg_mod/cgs->nr;
 542         nmol    = mtop->molblock[mb].nmol/nmol_ch;
 543         for (mol = 0; mol < nmol_ch; mol++)
 544         {
 545             cgm = mol*cgs->nr;
 546             am  = mol*cgs->index[cgs->nr];
 547             for (cg_mol = 0; cg_mol < cgs->nr; cg_mol++)
 548             {
 549                 check_solvent_cg(molt, cg_mol, nmol,
 550                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM] ?
 551                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM]+at_offset+am : nullptr,
 552                                  &mtop->groups.grps[egcQMMM],
 553                                  fr,
 554                                  &n_solvent_parameters, &solvent_parameters,
 555                                  cginfo_mb[mb].cginfo[cgm+cg_mol],
 556                                  &cg_sp[mb][cgm+cg_mol]);
 557             }
 558         }
 559         at_offset += cgs->index[cgs->nr];
 560     }
 561
 562     /* Puh! We finished going through all charge groups.
 563      * Now find the most common solvent model.
 564      */
 565
 566     /* Most common solvent this far */
 567     bestsp = -2;
 568     for (i = 0; i < n_solvent_parameters; i++)
 569     {
 570         if (bestsp == -2 ||
 571             solvent_parameters[i].count > solvent_parameters[bestsp].count)
 572         {
 573             bestsp = i;
 574         }
 575     }
 576
 577     if (bestsp >= 0)
 578     {
 579         bestsol = solvent_parameters[bestsp].model;
 580     }
 581     else
 582     {
 583         bestsol = esolNO;
 584     }
 585
 586     fr->nWatMol = 0;
 587     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 588     {
 589         cgs  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].cgs;
 590         nmol = (mtop->molblock[mb].nmol*cgs->nr)/cginfo_mb[mb].cg_mod;
 591         for (i = 0; i < cginfo_mb[mb].cg_mod; i++)
 592         {
 593             if (cg_sp[mb][i] == bestsp)
 594             {
 595                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], bestsol);
 596                 fr->nWatMol += nmol;
 597             }
 598             else
 599             {
 600                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], esolNO);
 601             }
 602         }
 603         sfree(cg_sp[mb]);
 604     }
 605     sfree(cg_sp);
 606
 607     if (bestsol != esolNO && fp != nullptr)
 608     {
 609         fprintf(fp, "\nEnabling %s-like water optimization for %d molecules.\n\n",
 610                 esol_names[bestsol],
 611                 solvent_parameters[bestsp].count);
 612     }
 613
 614     sfree(solvent_parameters);
 615     fr->solvent_opt = bestsol;
 616 }
 617
 618 enum {
 619     acNONE = 0, acCONSTRAINT, acSETTLE
 620 };
 621
 622 static cginfo_mb_t *init_cginfo_mb(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 623                                    t_forcerec *fr, gmx_bool bNoSolvOpt,
 624                                    gmx_bool *bFEP_NonBonded,
 625                                    gmx_bool *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone)
 626 {
 627     const t_block        *cgs;
 628     const t_blocka       *excl;
 629     const gmx_moltype_t  *molt;
 630     const gmx_molblock_t *molb;
 631     cginfo_mb_t          *cginfo_mb;
 632     gmx_bool             *type_VDW;
 633     int                  *cginfo;
 634     int                   cg_offset, a_offset;
 635     int                   m, cg, a0, a1, gid, ai, j, aj, excl_nalloc;
 636     int                  *a_con;
 637     int                   ftype;
 638     int                   ia;
 639     gmx_bool              bId, *bExcl, bExclIntraAll, bExclInter, bHaveVDW, bHaveQ, bHavePerturbedAtoms;
 640
 641     snew(cginfo_mb, mtop->molblock.size());
 642
 643     snew(type_VDW, fr->ntype);
 644     for (ai = 0; ai < fr->ntype; ai++)
 645     {
 646         type_VDW[ai] = FALSE;
 647         for (j = 0; j < fr->ntype; j++)
 648         {
 649             type_VDW[ai] = type_VDW[ai] ||
 650                 fr->bBHAM ||
 651                 C6(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0 ||
 652                 C12(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0;
 653         }
 654     }
 655
 656     *bFEP_NonBonded               = FALSE;
 657     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = TRUE;
 658
 659     excl_nalloc = 10;
 660     snew(bExcl, excl_nalloc);
 661     cg_offset = 0;
 662     a_offset  = 0;
 663     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 664     {
 665         molb = &mtop->molblock[mb];
 666         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 667         cgs  = &molt->cgs;
 668         excl = &molt->excls;
 669
 670         /* Check if the cginfo is identical for all molecules in this block.
 671          * If so, we only need an array of the size of one molecule.
 672          * Otherwise we make an array of #mol times #cgs per molecule.
 673          */
 674         bId = TRUE;
 675         for (m = 0; m < molb->nmol; m++)
 676         {
 677             int am = m*cgs->index[cgs->nr];
 678             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 679             {
 680                 a0 = cgs->index[cg];
 681                 a1 = cgs->index[cg+1];
 682                 if (ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0) !=
 683                     ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset   +a0))
 684                 {
 685                     bId = FALSE;
 686                 }
 687                 if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM] != nullptr)
 688                 {
 689                     for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 690                     {
 691                         if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset+am+ai] !=
 692                             mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset   +ai])
 693                         {
 694                             bId = FALSE;
 695                         }
 696                     }
 697                 }
 698             }
 699         }
 700
 701         cginfo_mb[mb].cg_start = cg_offset;
 702         cginfo_mb[mb].cg_end   = cg_offset + molb->nmol*cgs->nr;
 703         cginfo_mb[mb].cg_mod   = (bId ? 1 : molb->nmol)*cgs->nr;
 704         snew(cginfo_mb[mb].cginfo, cginfo_mb[mb].cg_mod);
 705         cginfo = cginfo_mb[mb].cginfo;
 706
 707         /* Set constraints flags for constrained atoms */
 708         snew(a_con, molt->atoms.nr);
 709         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 710         {
 711             if (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT)
 712             {
 713                 int nral;
 714
 715                 nral = NRAL(ftype);
 716                 for (ia = 0; ia < molt->ilist[ftype].nr; ia += 1+nral)
 717                 {
 718                     int a;
 719
 720                     for (a = 0; a < nral; a++)
 721                     {
 722                         a_con[molt->ilist[ftype].iatoms[ia+1+a]] =
 723                             (ftype == F_SETTLE ? acSETTLE : acCONSTRAINT);
 724                     }
 725                 }
 726             }
 727         }
 728
 729         for (m = 0; m < (bId ? 1 : molb->nmol); m++)
 730         {
 731             int cgm = m*cgs->nr;
 732             int am  = m*cgs->index[cgs->nr];
 733             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 734             {
 735                 a0 = cgs->index[cg];
 736                 a1 = cgs->index[cg+1];
 737
 738                 /* Store the energy group in cginfo */
 739                 gid = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0);
 740                 SET_CGINFO_GID(cginfo[cgm+cg], gid);
 741
 742                 /* Check the intra/inter charge group exclusions */
 743                 if (a1-a0 > excl_nalloc)
 744                 {
 745                     excl_nalloc = a1 - a0;
 746                     srenew(bExcl, excl_nalloc);
 747                 }
 748                 /* bExclIntraAll: all intra cg interactions excluded
 749                  * bExclInter:    any inter cg interactions excluded
 750                  */
 751                 bExclIntraAll       = TRUE;
 752                 bExclInter          = FALSE;
 753                 bHaveVDW            = FALSE;
 754                 bHaveQ              = FALSE;
 755                 bHavePerturbedAtoms = FALSE;
 756                 for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 757                 {
 758                     /* Check VDW and electrostatic interactions */
 759                     bHaveVDW = bHaveVDW || (type_VDW[molt->atoms.atom[ai].type] ||
 760                                             type_VDW[molt->atoms.atom[ai].typeB]);
 761                     bHaveQ  = bHaveQ    || (molt->atoms.atom[ai].q != 0 ||
 762                                             molt->atoms.atom[ai].qB != 0);
 763
 764                     bHavePerturbedAtoms = bHavePerturbedAtoms || (PERTURBED(molt->atoms.atom[ai]) != 0);
 765
 766                     /* Clear the exclusion list for atom ai */
 767                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 768                     {
 769                         bExcl[aj-a0] = FALSE;
 770                     }
 771                     /* Loop over all the exclusions of atom ai */
 772                     for (j = excl->index[ai]; j < excl->index[ai+1]; j++)
 773                     {
 774                         aj = excl->a[j];
 775                         if (aj < a0 || aj >= a1)
 776                         {
 777                             bExclInter = TRUE;
 778                         }
 779                         else
 780                         {
 781                             bExcl[aj-a0] = TRUE;
 782                         }
 783                     }
 784                     /* Check if ai excludes a0 to a1 */
 785                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 786                     {
 787                         if (!bExcl[aj-a0])
 788                         {
 789                             bExclIntraAll = FALSE;
 790                         }
 791                     }
 792
 793                     switch (a_con[ai])
 794                     {
 795                         case acCONSTRAINT:
 796                             SET_CGINFO_CONSTR(cginfo[cgm+cg]);
 797                             break;
 798                         case acSETTLE:
 799                             SET_CGINFO_SETTLE(cginfo[cgm+cg]);
 800                             break;
 801                         default:
 802                             break;
 803                     }
 804                 }
 805                 if (bExclIntraAll)
 806                 {
 807                     SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cgm+cg]);
 808                 }
 809                 if (bExclInter)
 810                 {
 811                     SET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cgm+cg]);
 812                 }
 813                 if (a1 - a0 > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 814                 {
 815                     /* The size in cginfo is currently only read with DD */
 816                     gmx_fatal(FARGS, "A charge group has size %d which is larger than the limit of %d atoms", a1-a0, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 817                 }
 818                 if (bHaveVDW)
 819                 {
 820                     SET_CGINFO_HAS_VDW(cginfo[cgm+cg]);
 821                 }
 822                 if (bHaveQ)
 823                 {
 824                     SET_CGINFO_HAS_Q(cginfo[cgm+cg]);
 825                 }
 826                 if (bHavePerturbedAtoms && fr->efep != efepNO)
 827                 {
 828                     SET_CGINFO_FEP(cginfo[cgm+cg]);
 829                     *bFEP_NonBonded = TRUE;
 830                 }
 831                 /* Store the charge group size */
 832                 SET_CGINFO_NATOMS(cginfo[cgm+cg], a1-a0);
 833
 834                 if (!bExclIntraAll || bExclInter)
 835                 {
 836                     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = FALSE;
 837                 }
 838             }
 839         }
 840
 841         sfree(a_con);
 842
 843         cg_offset += molb->nmol*cgs->nr;
 844         a_offset  += molb->nmol*cgs->index[cgs->nr];
 845     }
 846     sfree(type_VDW);
 847     sfree(bExcl);
 848
 849     /* the solvent optimizer is called after the QM is initialized,
 850      * because we don't want to have the QM subsystemto become an
 851      * optimized solvent
 852      */
 853
 854     check_solvent(fplog, mtop, fr, cginfo_mb);
 855
 856     if (getenv("GMX_NO_SOLV_OPT"))
 857     {
 858         if (fplog)
 859         {
 860             fprintf(fplog, "Found environment variable GMX_NO_SOLV_OPT.\n"
 861                     "Disabling all solvent optimization\n");
 862         }
 863         fr->solvent_opt = esolNO;
 864     }
 865     if (bNoSolvOpt)
 866     {
 867         fr->solvent_opt = esolNO;
 868     }
 869     if (!fr->solvent_opt)
 870     {
 871         for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 872         {
 873             for (cg = 0; cg < cginfo_mb[mb].cg_mod; cg++)
 874             {
 875                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[cg], esolNO);
 876             }
 877         }
 878     }
 879
 880     return cginfo_mb;
 881 }
 882
 883 static int *cginfo_expand(int nmb, cginfo_mb_t *cgi_mb)
 884 {
 885     int  ncg, mb, cg;
 886     int *cginfo;
 887
 888     ncg = cgi_mb[nmb-1].cg_end;
 889     snew(cginfo, ncg);
 890     mb = 0;
 891     for (cg = 0; cg < ncg; cg++)
 892     {
 893         while (cg >= cgi_mb[mb].cg_end)
 894         {
 895             mb++;
 896         }
 897         cginfo[cg] =
 898             cgi_mb[mb].cginfo[(cg - cgi_mb[mb].cg_start) % cgi_mb[mb].cg_mod];
 899     }
 900
 901     return cginfo;
 902 }
 903
 904 static void done_cginfo_mb(cginfo_mb_t *cginfo_mb, int numMolBlocks)
 905 {
 906     if (cginfo_mb == nullptr)
 907     {
 908         return;
 909     }
 910     for (int mb = 0; mb < numMolBlocks; ++mb)
 911     {
 912         sfree(cginfo_mb[mb].cginfo);
 913     }
 914     sfree(cginfo_mb);
 915 }
 916
 917 /* Sets the sum of charges (squared) and C6 in the system in fr.
 918  * Returns whether the system has a net charge.
 919  */
 920 static bool set_chargesum(FILE *log, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 921 {
 922     /*This now calculates sum for q and c6*/
 923     double         qsum, q2sum, q, c6sum, c6;
 924
 925     qsum   = 0;
 926     q2sum  = 0;
 927     c6sum  = 0;
 928     for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
 929     {
 930         int            nmol  = molb.nmol;
 931         const t_atoms *atoms = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
 932         for (int i = 0; i < atoms->nr; i++)
 933         {
 934             q       = atoms->atom[i].q;
 935             qsum   += nmol*q;
 936             q2sum  += nmol*q*q;
 937             c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 938             c6sum  += nmol*c6;
 939         }
 940     }
 941     fr->qsum[0]   = qsum;
 942     fr->q2sum[0]  = q2sum;
 943     fr->c6sum[0]  = c6sum;
 944
 945     if (fr->efep != efepNO)
 946     {
 947         qsum   = 0;
 948         q2sum  = 0;
 949         c6sum  = 0;
 950         for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
 951         {
 952             int            nmol  = molb.nmol;
 953             const t_atoms *atoms = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
 954             for (int i = 0; i < atoms->nr; i++)
 955             {
 956                 q       = atoms->atom[i].qB;
 957                 qsum   += nmol*q;
 958                 q2sum  += nmol*q*q;
 959                 c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 960                 c6sum  += nmol*c6;
 961             }
 962             fr->qsum[1]   = qsum;
 963             fr->q2sum[1]  = q2sum;
 964             fr->c6sum[1]  = c6sum;
 965         }
 966     }
 967     else
 968     {
 969         fr->qsum[1]   = fr->qsum[0];
 970         fr->q2sum[1]  = fr->q2sum[0];
 971         fr->c6sum[1]  = fr->c6sum[0];
 972     }
 973     if (log)
 974     {
 975         if (fr->efep == efepNO)
 976         {
 977             fprintf(log, "System total charge: %.3f\n", fr->qsum[0]);
 978         }
 979         else
 980         {
 981             fprintf(log, "System total charge, top. A: %.3f top. B: %.3f\n",
 982                     fr->qsum[0], fr->qsum[1]);
 983         }
 984     }
 985
 986     /* A cut-off of 1e-4 is used to catch rounding errors due to ascii input */
 987     return (std::abs(fr->qsum[0]) > 1e-4 ||
 988             std::abs(fr->qsum[1]) > 1e-4);
 989 }
 990
 991 void update_forcerec(t_forcerec *fr, matrix box)
 992 {
 993     if (fr->ic->eeltype == eelGRF)
 994     {
 995         calc_rffac(nullptr, fr->ic->eeltype, fr->ic->epsilon_r, fr->ic->epsilon_rf,
 996                    fr->ic->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
 997                    &fr->ic->k_rf, &fr->ic->c_rf);
 998     }
 999 }
1000
1001 void set_avcsixtwelve(FILE *fplog, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
1002 {
1003     const t_atoms  *atoms, *atoms_tpi;
1004     const t_blocka *excl;
1005     int             nmolc, i, j, tpi, tpj, j1, j2, k, nexcl, q;
1006     gmx_int64_t     npair, npair_ij, tmpi, tmpj;
1007     double          csix, ctwelve;
1008     int             ntp, *typecount;
1009     gmx_bool        bBHAM;
1010     real           *nbfp;
1011     real           *nbfp_comb = nullptr;
1012
1013     ntp   = fr->ntype;
1014     bBHAM = fr->bBHAM;
1015     nbfp  = fr->nbfp;
1016
1017     /* For LJ-PME, we want to correct for the difference between the
1018      * actual C6 values and the C6 values used by the LJ-PME based on
1019      * combination rules. */
1020
1021     if (EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1022     {
1023         nbfp_comb = mk_nbfp_combination_rule(&mtop->ffparams,
1024                                              (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB) ? eCOMB_ARITHMETIC : eCOMB_GEOMETRIC);
1025         for (tpi = 0; tpi < ntp; ++tpi)
1026         {
1027             for (tpj = 0; tpj < ntp; ++tpj)
1028             {
1029                 C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) =
1030                     C6(nbfp, ntp, tpi, tpj) - C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj);
1031                 C12(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) = C12(nbfp, ntp, tpi, tpj);
1032             }
1033         }
1034         nbfp = nbfp_comb;
1035     }
1036     for (q = 0; q < (fr->efep == efepNO ? 1 : 2); q++)
1037     {
1038         csix    = 0;
1039         ctwelve = 0;
1040         npair   = 0;
1041         nexcl   = 0;
1042         if (!fr->n_tpi)
1043         {
1044             /* Count the types so we avoid natoms^2 operations */
1045             snew(typecount, ntp);
1046             gmx_mtop_count_atomtypes(mtop, q, typecount);
1047
1048             for (tpi = 0; tpi < ntp; tpi++)
1049             {
1050                 for (tpj = tpi; tpj < ntp; tpj++)
1051                 {
1052                     tmpi = typecount[tpi];
1053                     tmpj = typecount[tpj];
1054                     if (tpi != tpj)
1055                     {
1056                         npair_ij = tmpi*tmpj;
1057                     }
1058                     else
1059                     {
1060                         npair_ij = tmpi*(tmpi - 1)/2;
1061                     }
1062                     if (bBHAM)
1063                     {
1064                         /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1065                         csix    += npair_ij*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1066                     }
1067                     else
1068                     {
1069                         /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1070                         csix    += npair_ij*   C6(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1071                         ctwelve += npair_ij*  C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1072                     }
1073                     npair += npair_ij;
1074                 }
1075             }
1076             sfree(typecount);
1077             /* Subtract the excluded pairs.
1078              * The main reason for substracting exclusions is that in some cases
1079              * some combinations might never occur and the parameters could have
1080              * any value. These unused values should not influence the dispersion
1081              * correction.
1082              */
1083             for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
1084             {
1085                 int nmol = molb.nmol;
1086                 atoms    = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
1087                 excl     = &mtop->moltype[molb.type].excls;
1088                 for (int i = 0; (i < atoms->nr); i++)
1089                 {
1090                     if (q == 0)
1091                     {
1092                         tpi = atoms->atom[i].type;
1093                     }
1094                     else
1095                     {
1096                         tpi = atoms->atom[i].typeB;
1097                     }
1098                     j1  = excl->index[i];
1099                     j2  = excl->index[i+1];
1100                     for (j = j1; j < j2; j++)
1101                     {
1102                         k = excl->a[j];
1103                         if (k > i)
1104                         {
1105                             if (q == 0)
1106                             {
1107                                 tpj = atoms->atom[k].type;
1108                             }
1109                             else
1110                             {
1111                                 tpj = atoms->atom[k].typeB;
1112                             }
1113                             if (bBHAM)
1114                             {
1115                                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1116                                 csix -= nmol*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1117                             }
1118                             else
1119                             {
1120                                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1121                                 csix    -= nmol*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1122                                 ctwelve -= nmol*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1123                             }
1124                             nexcl += molb.nmol;
1125                         }
1126                     }
1127                 }
1128             }
1129         }
1130         else
1131         {
1132             /* Only correct for the interaction of the test particle
1133              * with the rest of the system.
1134              */
1135             atoms_tpi =
1136                 &mtop->moltype[mtop->molblock.back().type].atoms;
1137
1138             npair = 0;
1139             for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
1140             {
1141                 const gmx_molblock_t &molb = mtop->molblock[mb];
1142                 atoms                      = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
1143                 for (j = 0; j < atoms->nr; j++)
1144                 {
1145                     nmolc = molb.nmol;
1146                     /* Remove the interaction of the test charge group
1147                      * with itself.
1148                      */
1149                     if (mb == mtop->molblock.size() - 1)
1150                     {
1151                         nmolc--;
1152
1153                         if (mb == 0 && molb.nmol == 1)
1154                         {
1155                             gmx_fatal(FARGS, "Old format tpr with TPI, please generate a new tpr file");
1156                         }
1157                     }
1158                     if (q == 0)
1159                     {
1160                         tpj = atoms->atom[j].type;
1161                     }
1162                     else
1163                     {
1164                         tpj = atoms->atom[j].typeB;
1165                     }
1166                     for (i = 0; i < fr->n_tpi; i++)
1167                     {
1168                         if (q == 0)
1169                         {
1170                             tpi = atoms_tpi->atom[i].type;
1171                         }
1172                         else
1173                         {
1174                             tpi = atoms_tpi->atom[i].typeB;
1175                         }
1176                         if (bBHAM)
1177                         {
1178                             /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1179                             csix    += nmolc*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1180                         }
1181                         else
1182                         {
1183                             /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1184                             csix    += nmolc*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1185                             ctwelve += nmolc*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1186                         }
1187                         npair += nmolc;
1188                     }
1189                 }
1190             }
1191         }
1192         if (npair - nexcl <= 0 && fplog)
1193         {
1194             fprintf(fplog, "\nWARNING: There are no atom pairs for dispersion correction\n\n");
1195             csix     = 0;
1196             ctwelve  = 0;
1197         }
1198         else
1199         {
1200             csix    /= npair - nexcl;
1201             ctwelve /= npair - nexcl;
1202         }
1203         if (debug)
1204         {
1205             fprintf(debug, "Counted %d exclusions\n", nexcl);
1206             fprintf(debug, "Average C6 parameter is: %10g\n", (double)csix);
1207             fprintf(debug, "Average C12 parameter is: %10g\n", (double)ctwelve);
1208         }
1209         fr->avcsix[q]    = csix;
1210         fr->avctwelve[q] = ctwelve;
1211     }
1212
1213     if (EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1214     {
1215         sfree(nbfp_comb);
1216     }
1217
1218     if (fplog != nullptr)
1219     {
1220         if (fr->eDispCorr == edispcAllEner ||
1221             fr->eDispCorr == edispcAllEnerPres)
1222         {
1223             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e, <C12> %10.4e\n",
1224                     fr->avcsix[0], fr->avctwelve[0]);
1225         }
1226         else
1227         {
1228             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e\n", fr->avcsix[0]);
1229         }
1230     }
1231 }
1232
1233
1234 static real calcBuckinghamBMax(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop)
1235 {
1236     const t_atoms *at1, *at2;
1237     int            i, j, tpi, tpj, ntypes;
1238     real           b, bmin;
1239
1240     if (fplog)
1241     {
1242         fprintf(fplog, "Determining largest Buckingham b parameter for table\n");
1243     }
1244     ntypes = mtop->ffparams.atnr;
1245
1246     bmin            = -1;
1247     real bham_b_max = 0;
1248     for (size_t mt1 = 0; mt1 < mtop->moltype.size(); mt1++)
1249     {
1250         at1 = &mtop->moltype[mt1].atoms;
1251         for (i = 0; (i < at1->nr); i++)
1252         {
1253             tpi = at1->atom[i].type;
1254             if (tpi >= ntypes)
1255             {
1256                 gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", i, tpi, ntypes);
1257             }
1258
1259             for (size_t mt2 = mt1; mt2 < mtop->moltype.size(); mt2++)
1260             {
1261                 at2 = &mtop->moltype[mt2].atoms;
1262                 for (j = 0; (j < at2->nr); j++)
1263                 {
1264                     tpj = at2->atom[j].type;
1265                     if (tpj >= ntypes)
1266                     {
1267                         gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", j, tpj, ntypes);
1268                     }
1269                     b = mtop->ffparams.iparams[tpi*ntypes + tpj].bham.b;
1270                     if (b > bham_b_max)
1271                     {
1272                         bham_b_max = b;
1273                     }
1274                     if ((b < bmin) || (bmin == -1))
1275                     {
1276                         bmin = b;
1277                     }
1278                 }
1279             }
1280         }
1281     }
1282     if (fplog)
1283     {
1284         fprintf(fplog, "Buckingham b parameters, min: %g, max: %g\n",
1285                 bmin, bham_b_max);
1286     }
1287
1288     return bham_b_max;
1289 }
1290
1291 static void make_nbf_tables(FILE *fp,
1292                             const interaction_const_t *ic, real rtab,
1293                             const char *tabfn, char *eg1, char *eg2,
1294                             t_nblists *nbl)
1295 {
1296     char buf[STRLEN];
1297     int  i, j;
1298
1299     if (tabfn == nullptr)
1300     {
1301         if (debug)
1302         {
1303             fprintf(debug, "No table file name passed, can not read table, can not do non-bonded interactions\n");
1304         }
1305         return;
1306     }
1307
1308     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1309     if (eg1 && eg2)
1310     {
1311         /* Append the two energy group names */
1312         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s_%s.%s",
1313                 eg1, eg2, ftp2ext(efXVG));
1314     }
1315     nbl->table_elec_vdw = make_tables(fp, ic, buf, rtab, 0);
1316     /* Copy the contents of the table to separate coulomb and LJ tables too,
1317      * to improve cache performance.
1318      */
1319     /* For performance reasons we want
1320      * the table data to be aligned to 16-byte. The pointers could be freed
1321      * but currently aren't.
1322      */
1323     snew(nbl->table_elec, 1);
1324     nbl->table_elec->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_ELEC;
1325     nbl->table_elec->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1326     nbl->table_elec->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1327     nbl->table_elec->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1328     nbl->table_elec->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1329     nbl->table_elec->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1330     nbl->table_elec->ninteractions = 1;
1331     nbl->table_elec->stride        = nbl->table_elec->formatsize * nbl->table_elec->ninteractions;
1332     snew_aligned(nbl->table_elec->data, nbl->table_elec->stride*(nbl->table_elec->n+1), 32);
1333
1334     snew(nbl->table_vdw, 1);
1335     nbl->table_vdw->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_VDWREP_VDWDISP;
1336     nbl->table_vdw->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1337     nbl->table_vdw->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1338     nbl->table_vdw->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1339     nbl->table_vdw->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1340     nbl->table_vdw->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1341     nbl->table_vdw->ninteractions = 2;
1342     nbl->table_vdw->stride        = nbl->table_vdw->formatsize * nbl->table_vdw->ninteractions;
1343     snew_aligned(nbl->table_vdw->data, nbl->table_vdw->stride*(nbl->table_vdw->n+1), 32);
1344
1345     /* NOTE: Using a single i-loop here leads to mix-up of data in table_vdw
1346      *       with (at least) gcc 6.2, 6.3 and 6.4 when compiled with -O3 and AVX
1347      */
1348     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
1349     {
1350         for (j = 0; j < 4; j++)
1351         {
1352             nbl->table_elec->data[4*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+j];
1353         }
1354     }
1355     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
1356     {
1357         for (j = 0; j < 8; j++)
1358         {
1359             nbl->table_vdw->data[8*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+4+j];
1360         }
1361     }
1362 }
1363
1364 /*!\brief If there's bonded interactions of type \c ftype1 or \c
1365  * ftype2 present in the topology, build an array of the number of
1366  * interactions present for each bonded interaction index found in the
1367  * topology.
1368  *
1369  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1370  * valid type with that parameter.
1371  *
1372  * \c count will be reallocated as necessary to fit the largest bonded
1373  * interaction index found, and its current size will be returned in
1374  * \c ncount. It will contain zero for every bonded interaction index
1375  * for which no interactions are present in the topology.
1376  */
1377 static void count_tables(int ftype1, int ftype2, const gmx_mtop_t *mtop,
1378                          int *ncount, int **count)
1379 {
1380     const t_ilist       *il;
1381     int                  ftype, stride, i, j, tabnr;
1382
1383     // Loop over all moleculetypes
1384     for (const gmx_moltype_t &molt : mtop->moltype)
1385     {
1386         // Loop over all interaction types
1387         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1388         {
1389             // If the current interaction type is one of the types whose tables we're trying to count...
1390             if (ftype == ftype1 || ftype == ftype2)
1391             {
1392                 il     = &molt.ilist[ftype];
1393                 stride = 1 + NRAL(ftype);
1394                 // ... and there are actually some interactions for this type
1395                 for (i = 0; i < il->nr; i += stride)
1396                 {
1397                     // Find out which table index the user wanted
1398                     tabnr = mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]].tab.table;
1399                     if (tabnr < 0)
1400                     {
1401                         gmx_fatal(FARGS, "A bonded table number is smaller than 0: %d\n", tabnr);
1402                     }
1403                     // Make room for this index in the data structure
1404                     if (tabnr >= *ncount)
1405                     {
1406                         srenew(*count, tabnr+1);
1407                         for (j = *ncount; j < tabnr+1; j++)
1408                         {
1409                             (*count)[j] = 0;
1410                         }
1411                         *ncount = tabnr+1;
1412                     }
1413                     // Record that this table index is used and must have a valid file
1414                     (*count)[tabnr]++;
1415                 }
1416             }
1417         }
1418     }
1419 }
1420
1421 /*!\brief If there's bonded interactions of flavour \c tabext and type
1422  * \c ftype1 or \c ftype2 present in the topology, seek them in the
1423  * list of filenames passed to mdrun, and make bonded tables from
1424  * those files.
1425  *
1426  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1427  * valid type with that parameter.
1428  *
1429  * A fatal error occurs if no matching filename is found.
1430  */
1431 static bondedtable_t *make_bonded_tables(FILE *fplog,
1432                                          int ftype1, int ftype2,
1433                                          const gmx_mtop_t *mtop,
1434                                          gmx::ArrayRef<const std::string> tabbfnm,
1435                                          const char *tabext)
1436 {
1437     int            ncount, *count;
1438     bondedtable_t *tab;
1439
1440     tab = nullptr;
1441
1442     ncount = 0;
1443     count  = nullptr;
1444     count_tables(ftype1, ftype2, mtop, &ncount, &count);
1445
1446     // Are there any relevant tabulated bond interactions?
1447     if (ncount > 0)
1448     {
1449         snew(tab, ncount);
1450         for (int i = 0; i < ncount; i++)
1451         {
1452             // Do any interactions exist that requires this table?
1453             if (count[i] > 0)
1454             {
1455                 // This pattern enforces the current requirement that
1456                 // table filenames end in a characteristic sequence
1457                 // before the file type extension, and avoids table 13
1458                 // being recognized and used for table 1.
1459                 std::string patternToFind = gmx::formatString("_%s%d.%s", tabext, i, ftp2ext(efXVG));
1460                 bool        madeTable     = false;
1461                 for (size_t j = 0; j < tabbfnm.size() && !madeTable; ++j)
1462                 {
1463                     if (gmx::endsWith(tabbfnm[j], patternToFind))
1464                     {
1465                         // Finally read the table from the file found
1466                         tab[i]    = make_bonded_table(fplog, tabbfnm[j].c_str(), NRAL(ftype1)-2);
1467                         madeTable = true;
1468                     }
1469                 }
1470                 if (!madeTable)
1471                 {
1472                     bool isPlural = (ftype2 != -1);
1473                     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.",
1474                               interaction_function[ftype1].longname,
1475                               isPlural ? "' or '" : "",
1476                               isPlural ? interaction_function[ftype2].longname : "",
1477                               i,
1478                               patternToFind.c_str());
1479                 }
1480             }
1481         }
1482         sfree(count);
1483     }
1484
1485     return tab;
1486 }
1487
1488 void forcerec_set_ranges(t_forcerec *fr,
1489                          int ncg_home, int ncg_force,
1490                          int natoms_force,
1491                          int natoms_force_constr, int natoms_f_novirsum)
1492 {
1493     fr->cg0 = 0;
1494     fr->hcg = ncg_home;
1495
1496     /* fr->ncg_force is unused in the standard code,
1497      * but it can be useful for modified code dealing with charge groups.
1498      */
1499     fr->ncg_force           = ncg_force;
1500     fr->natoms_force        = natoms_force;
1501     fr->natoms_force_constr = natoms_force_constr;
1502
1503     if (fr->natoms_force_constr > fr->nalloc_force)
1504     {
1505         fr->nalloc_force = over_alloc_dd(fr->natoms_force_constr);
1506     }
1507
1508     if (fr->haveDirectVirialContributions)
1509     {
1510         fr->forceBufferForDirectVirialContributions->resize(natoms_f_novirsum);
1511     }
1512 }
1513
1514 static real cutoff_inf(real cutoff)
1515 {
1516     if (cutoff == 0)
1517     {
1518         cutoff = GMX_CUTOFF_INF;
1519     }
1520
1521     return cutoff;
1522 }
1523
1524 gmx_bool can_use_allvsall(const t_inputrec *ir, gmx_bool bPrintNote, const t_commrec *cr, FILE *fp)
1525 {
1526     gmx_bool bAllvsAll;
1527
1528     bAllvsAll =
1529         (
1530             ir->rlist == 0            &&
1531             ir->rcoulomb == 0         &&
1532             ir->rvdw == 0             &&
1533             ir->ePBC == epbcNONE      &&
1534             ir->vdwtype == evdwCUT    &&
1535             ir->coulombtype == eelCUT &&
1536             ir->efep == efepNO        &&
1537             getenv("GMX_NO_ALLVSALL") == nullptr
1538         );
1539
1540     if (bAllvsAll && ir->opts.ngener > 1)
1541     {
1542         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";
1543
1544         if (bPrintNote)
1545         {
1546             if (fp != nullptr)
1547             {
1548                 fprintf(fp, "\n%s\n", note);
1549             }
1550         }
1551         bAllvsAll = FALSE;
1552     }
1553
1554     if (bAllvsAll && fp && MASTER(cr))
1555     {
1556         fprintf(fp, "\nUsing SIMD all-vs-all kernels.\n\n");
1557     }
1558
1559     return bAllvsAll;
1560 }
1561
1562
1563 gmx_bool nbnxn_simd_supported(const gmx::MDLogger &mdlog,
1564                               const t_inputrec    *ir)
1565 {
1566     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1567     {
1568         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1569          * This so slow that we don't compile SIMD non-bonded kernels
1570          * for that. */
1571         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with SIMD kernels, falling back to plain C kernels");
1572         return FALSE;
1573     }
1574
1575     return TRUE;
1576 }
1577
1578
1579 static void pick_nbnxn_kernel_cpu(const t_inputrec gmx_unused    *ir,
1580                                   int                            *kernel_type,
1581                                   int                            *ewald_excl,
1582                                   const gmx_hw_info_t gmx_unused &hardwareInfo)
1583 {
1584     *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1585     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1586
1587 #if GMX_SIMD
1588     {
1589 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1590         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1591 #endif
1592 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1593         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1594 #endif
1595
1596 #if defined GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && defined GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1597         /* We need to choose if we want 2x(N+N) or 4xN kernels.
1598          * This is based on the SIMD acceleration choice and CPU information
1599          * detected at runtime.
1600          *
1601          * 4xN calculates more (zero) interactions, but has less pair-search
1602          * work and much better kernel instruction scheduling.
1603          *
1604          * Up till now we have only seen that on Intel Sandy/Ivy Bridge,
1605          * which doesn't have FMA, both the analytical and tabulated Ewald
1606          * kernels have similar pair rates for 4x8 and 2x(4+4), so we choose
1607          * 2x(4+4) because it results in significantly fewer pairs.
1608          * For RF, the raw pair rate of the 4x8 kernel is higher than 2x(4+4),
1609          * 10% with HT, 50% without HT. As we currently don't detect the actual
1610          * use of HT, use 4x8 to avoid a potential performance hit.
1611          * On Intel Haswell 4x8 is always faster.
1612          */
1613         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1614
1615 #if !GMX_SIMD_HAVE_FMA
1616         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) ||
1617             EVDW_PME(ir->vdwtype))
1618         {
1619             /* We have Ewald kernels without FMA (Intel Sandy/Ivy Bridge).
1620              * There are enough instructions to make 2x(4+4) efficient.
1621              */
1622             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1623         }
1624 #endif
1625         if (hardwareInfo.haveAmdZenCpu)
1626         {
1627             /* One 256-bit FMA per cycle makes 2xNN faster */
1628             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1629         }
1630 #endif  /* GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && GMX_NBNXN_SIMD_4XN */
1631
1632
1633         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_4XN") != nullptr)
1634         {
1635 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1636             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1637 #else
1638             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 4xN kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1639 #endif
1640         }
1641         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_2XNN") != nullptr)
1642         {
1643 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1644             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1645 #else
1646             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 2x(N+N) kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1647 #endif
1648         }
1649
1650         /* Analytical Ewald exclusion correction is only an option in
1651          * the SIMD kernel.
1652          * Since table lookup's don't parallelize with SIMD, analytical
1653          * will probably always be faster for a SIMD width of 8 or more.
1654          * With FMA analytical is sometimes faster for a width if 4 as well.
1655          * In single precision, this is faster on Bulldozer.
1656          */
1657 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 8 || \
1658         (GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 4 && GMX_SIMD_HAVE_FMA && !GMX_DOUBLE)
1659         /* On AMD Zen, tabulated Ewald kernels are faster on all 4 combinations
1660          * of single or double precision and 128 or 256-bit AVX2.
1661          */
1662         if (!hardwareInfo.haveAmdZenCpu)
1663         {
1664             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1665         }
1666 #endif
1667         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_TABLE") != nullptr)
1668         {
1669             *ewald_excl = ewaldexclTable;
1670         }
1671         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_ANALYTICAL") != nullptr)
1672         {
1673             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1674         }
1675
1676     }
1677 #endif // GMX_SIMD
1678 }
1679
1680
1681 const char *lookup_nbnxn_kernel_name(int kernel_type)
1682 {
1683     const char *returnvalue = nullptr;
1684     switch (kernel_type)
1685     {
1686         case nbnxnkNotSet:
1687             returnvalue = "not set";
1688             break;
1689         case nbnxnk4x4_PlainC:
1690             returnvalue = "plain C";
1691             break;
1692         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
1693         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
1694 #if GMX_SIMD
1695             returnvalue = "SIMD";
1696 #else  // GMX_SIMD
1697             returnvalue = "not available";
1698 #endif // GMX_SIMD
1699             break;
1700         case nbnxnk8x8x8_GPU: returnvalue    = "GPU"; break;
1701         case nbnxnk8x8x8_PlainC: returnvalue = "plain C"; break;
1702
1703         case nbnxnkNR:
1704         default:
1705             gmx_fatal(FARGS, "Illegal kernel type selected");
1706             returnvalue = nullptr;
1707             break;
1708     }
1709     return returnvalue;
1710 };
1711
1712 static void pick_nbnxn_kernel(const gmx::MDLogger &mdlog,
1713                               gmx_bool             use_simd_kernels,
1714                               const gmx_hw_info_t &hardwareInfo,
1715                               gmx_bool             bUseGPU,
1716                               EmulateGpuNonbonded  emulateGpu,
1717                               const t_inputrec    *ir,
1718                               int                 *kernel_type,
1719                               int                 *ewald_excl,
1720                               gmx_bool             bDoNonbonded)
1721 {
1722     assert(kernel_type);
1723
1724     *kernel_type = nbnxnkNotSet;
1725     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1726
1727     if (emulateGpu == EmulateGpuNonbonded::Yes)
1728     {
1729         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_PlainC;
1730
1731         if (bDoNonbonded)
1732         {
1733             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("Emulating a GPU run on the CPU (slow)");
1734         }
1735     }
1736     else if (bUseGPU)
1737     {
1738         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_GPU;
1739     }
1740
1741     if (*kernel_type == nbnxnkNotSet)
1742     {
1743         if (use_simd_kernels &&
1744             nbnxn_simd_supported(mdlog, ir))
1745         {
1746             pick_nbnxn_kernel_cpu(ir, kernel_type, ewald_excl, hardwareInfo);
1747         }
1748         else
1749         {
1750             *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1751         }
1752     }
1753
1754     if (bDoNonbonded)
1755     {
1756         GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().appendTextFormatted(
1757                 "Using %s %dx%d nonbonded short-range kernels",
1758                 lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type),
1759                 nbnxn_kernel_to_cluster_i_size(*kernel_type),
1760                 nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(*kernel_type));
1761
1762         if (nbnxnk4x4_PlainC == *kernel_type ||
1763             nbnxnk8x8x8_PlainC == *kernel_type)
1764         {
1765             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendTextFormatted(
1766                     "WARNING: Using the slow %s kernels. This should\n"
1767                     "not happen during routine usage on supported platforms.",
1768                     lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type));
1769         }
1770     }
1771 }
1772
1773 /*! \brief Print Coulomb Ewald citations and set ewald coefficients */
1774 static void initCoulombEwaldParameters(FILE *fp, const t_inputrec *ir,
1775                                        bool systemHasNetCharge,
1776                                        interaction_const_t *ic)
1777 {
1778     if (!EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype))
1779     {
1780         return;
1781     }
1782
1783     if (fp)
1784     {
1785         fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for electrostatic interactions.\n");
1786
1787         if (ir->coulombtype == eelP3M_AD)
1788         {
1789             please_cite(fp, "Hockney1988");
1790             please_cite(fp, "Ballenegger2012");
1791         }
1792         else
1793         {
1794             please_cite(fp, "Essmann95a");
1795         }
1796
1797         if (ir->ewald_geometry == eewg3DC)
1798         {
1799             if (fp)
1800             {
1801                 fprintf(fp, "Using the Ewald3DC correction for systems with a slab geometry%s.\n",
1802                         systemHasNetCharge ? " and net charge" : "");
1803             }
1804             please_cite(fp, "In-Chul99a");
1805             if (systemHasNetCharge)
1806             {
1807                 please_cite(fp, "Ballenegger2009");
1808             }
1809         }
1810     }
1811
1812     ic->ewaldcoeff_q = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
1813     if (fp)
1814     {
1815         fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for Ewald\n",
1816                 1/ic->ewaldcoeff_q);
1817     }
1818
1819     if (ic->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1820     {
1821         GMX_RELEASE_ASSERT(ic->rcoulomb != 0, "Cutoff radius cannot be zero");
1822         ic->sh_ewald = std::erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb) / ic->rcoulomb;
1823     }
1824     else
1825     {
1826         ic->sh_ewald = 0;
1827     }
1828 }
1829
1830 /*! \brief Print Van der Waals Ewald citations and set ewald coefficients */
1831 static void initVdwEwaldParameters(FILE *fp, const t_inputrec *ir,
1832                                    interaction_const_t *ic)
1833 {
1834     if (!EVDW_PME(ir->vdwtype))
1835     {
1836         return;
1837     }
1838
1839     if (fp)
1840     {
1841         fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for LJ dispersion interactions.\n");
1842         please_cite(fp, "Essmann95a");
1843     }
1844     ic->ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
1845     if (fp)
1846     {
1847         fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for LJ Ewald\n",
1848                 1/ic->ewaldcoeff_lj);
1849     }
1850
1851     if (ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1852     {
1853         real crc2       = gmx::square(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
1854         ic->sh_lj_ewald = (std::exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)/gmx::power6(ic->rvdw);
1855     }
1856     else
1857     {
1858         ic->sh_lj_ewald = 0;
1859     }
1860 }
1861
1862 gmx_bool uses_simple_tables(int                 cutoff_scheme,
1863                             nonbonded_verlet_t *nbv,
1864                             int                 group)
1865 {
1866     gmx_bool bUsesSimpleTables = TRUE;
1867     int      grp_index;
1868
1869     switch (cutoff_scheme)
1870     {
1871         case ecutsGROUP:
1872             bUsesSimpleTables = TRUE;
1873             break;
1874         case ecutsVERLET:
1875             assert(nullptr != nbv);
1876             grp_index         = (group < 0) ? 0 : (nbv->ngrp - 1);
1877             bUsesSimpleTables = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[grp_index].kernel_type);
1878             break;
1879         default:
1880             gmx_incons("unimplemented");
1881     }
1882     return bUsesSimpleTables;
1883 }
1884
1885 static void init_ewald_f_table(interaction_const_t *ic,
1886                                real                 rtab)
1887 {
1888     real maxr;
1889
1890     /* Get the Ewald table spacing based on Coulomb and/or LJ
1891      * Ewald coefficients and rtol.
1892      */
1893     ic->tabq_scale = ewald_spline3_table_scale(ic);
1894
1895     if (ic->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1896     {
1897         maxr = ic->rcoulomb;
1898     }
1899     else
1900     {
1901         maxr = std::max(ic->rcoulomb, rtab);
1902     }
1903     ic->tabq_size  = static_cast<int>(maxr*ic->tabq_scale) + 2;
1904
1905     sfree_aligned(ic->tabq_coul_FDV0);
1906     sfree_aligned(ic->tabq_coul_F);
1907     sfree_aligned(ic->tabq_coul_V);
1908
1909     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0);
1910     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_F);
1911     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_V);
1912
1913     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype))
1914     {
1915         /* Create the original table data in FDV0 */
1916         snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1917         snew_aligned(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_size, 32);
1918         snew_aligned(ic->tabq_coul_V, ic->tabq_size, 32);
1919         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_coul_V, ic->tabq_coul_FDV0,
1920                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_q, v_q_ewald_lr);
1921     }
1922
1923     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1924     {
1925         snew_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1926         snew_aligned(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_size, 32);
1927         snew_aligned(ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_size, 32);
1928         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_vdw_FDV0,
1929                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_lj, v_lj_ewald_lr);
1930     }
1931 }
1932
1933 void init_interaction_const_tables(FILE                *fp,
1934                                    interaction_const_t *ic,
1935                                    real                 rtab)
1936 {
1937     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype))
1938     {
1939         init_ewald_f_table(ic, rtab);
1940
1941         if (fp != nullptr)
1942         {
1943             fprintf(fp, "Initialized non-bonded Ewald correction tables, spacing: %.2e size: %d\n\n",
1944                     1/ic->tabq_scale, ic->tabq_size);
1945         }
1946     }
1947 }
1948
1949 static void clear_force_switch_constants(shift_consts_t *sc)
1950 {
1951     sc->c2   = 0;
1952     sc->c3   = 0;
1953     sc->cpot = 0;
1954 }
1955
1956 static void force_switch_constants(real p,
1957                                    real rsw, real rc,
1958                                    shift_consts_t *sc)
1959 {
1960     /* Here we determine the coefficient for shifting the force to zero
1961      * between distance rsw and the cut-off rc.
1962      * For a potential of r^-p, we have force p*r^-(p+1).
1963      * But to save flops we absorb p in the coefficient.
1964      * Thus we get:
1965      * force/p   = r^-(p+1) + c2*r^2 + c3*r^3
1966      * potential = r^-p + c2/3*r^3 + c3/4*r^4 + cpot
1967      */
1968     sc->c2   =  ((p + 1)*rsw - (p + 4)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::square(rc - rsw));
1969     sc->c3   = -((p + 1)*rsw - (p + 3)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::power3(rc - rsw));
1970     sc->cpot = -pow(rc, -p) + p*sc->c2/3*gmx::power3(rc - rsw) + p*sc->c3/4*gmx::power4(rc - rsw);
1971 }
1972
1973 static void potential_switch_constants(real rsw, real rc,
1974                                        switch_consts_t *sc)
1975 {
1976     /* The switch function is 1 at rsw and 0 at rc.
1977      * The derivative and second derivate are zero at both ends.
1978      * rsw        = max(r - r_switch, 0)
1979      * sw         = 1 + c3*rsw^3 + c4*rsw^4 + c5*rsw^5
1980      * dsw        = 3*c3*rsw^2 + 4*c4*rsw^3 + 5*c5*rsw^4
1981      * force      = force*dsw - potential*sw
1982      * potential *= sw
1983      */
1984     sc->c3 = -10/gmx::power3(rc - rsw);
1985     sc->c4 =  15/gmx::power4(rc - rsw);
1986     sc->c5 =  -6/gmx::power5(rc - rsw);
1987 }
1988
1989 /*! \brief Construct interaction constants
1990  *
1991  * This data is used (particularly) by search and force code for
1992  * short-range interactions. Many of these are constant for the whole
1993  * simulation; some are constant only after PME tuning completes.
1994  */
1995 static void
1996 init_interaction_const(FILE                       *fp,
1997                        interaction_const_t       **interaction_const,
1998                        const t_inputrec           *ir,
1999                        const gmx_mtop_t           *mtop,
2000                        bool                        systemHasNetCharge)
2001 {
2002     interaction_const_t *ic;
2003
2004     snew(ic, 1);
2005
2006     ic->cutoff_scheme   = ir->cutoff_scheme;
2007
2008     /* Just allocate something so we can free it */
2009     snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, 16, 32);
2010     snew_aligned(ic->tabq_coul_F, 16, 32);
2011     snew_aligned(ic->tabq_coul_V, 16, 32);
2012
2013     /* Lennard-Jones */
2014     ic->vdwtype         = ir->vdwtype;
2015     ic->vdw_modifier    = ir->vdw_modifier;
2016     ic->reppow          = mtop->ffparams.reppow;
2017     ic->rvdw            = cutoff_inf(ir->rvdw);
2018     ic->rvdw_switch     = ir->rvdw_switch;
2019     ic->ljpme_comb_rule = ir->ljpme_combination_rule;
2020     ic->useBuckingham   = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2021     if (ic->useBuckingham)
2022     {
2023         ic->buckinghamBMax = calcBuckinghamBMax(fp, mtop);
2024     }
2025
2026     initVdwEwaldParameters(fp, ir, ic);
2027
2028     clear_force_switch_constants(&ic->dispersion_shift);
2029     clear_force_switch_constants(&ic->repulsion_shift);
2030
2031     switch (ic->vdw_modifier)
2032     {
2033         case eintmodPOTSHIFT:
2034             /* Only shift the potential, don't touch the force */
2035             ic->dispersion_shift.cpot = -1.0/gmx::power6(ic->rvdw);
2036             ic->repulsion_shift.cpot  = -1.0/gmx::power12(ic->rvdw);
2037             break;
2038         case eintmodFORCESWITCH:
2039             /* Switch the force, switch and shift the potential */
2040             force_switch_constants(6.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2041                                    &ic->dispersion_shift);
2042             force_switch_constants(12.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2043                                    &ic->repulsion_shift);
2044             break;
2045         case eintmodPOTSWITCH:
2046             /* Switch the potential and force */
2047             potential_switch_constants(ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2048                                        &ic->vdw_switch);
2049             break;
2050         case eintmodNONE:
2051         case eintmodEXACTCUTOFF:
2052             /* Nothing to do here */
2053             break;
2054         default:
2055             gmx_incons("unimplemented potential modifier");
2056     }
2057
2058     ic->sh_invrc6 = -ic->dispersion_shift.cpot;
2059
2060     /* Electrostatics */
2061     ic->eeltype          = ir->coulombtype;
2062     ic->coulomb_modifier = ir->coulomb_modifier;
2063     ic->rcoulomb         = cutoff_inf(ir->rcoulomb);
2064     ic->rcoulomb_switch  = ir->rcoulomb_switch;
2065     ic->epsilon_r        = ir->epsilon_r;
2066
2067     /* Set the Coulomb energy conversion factor */
2068     if (ic->epsilon_r != 0)
2069     {
2070         ic->epsfac = ONE_4PI_EPS0/ic->epsilon_r;
2071     }
2072     else
2073     {
2074         /* eps = 0 is infinite dieletric: no Coulomb interactions */
2075         ic->epsfac = 0;
2076     }
2077
2078     /* Reaction-field */
2079     if (EEL_RF(ic->eeltype))
2080     {
2081         ic->epsilon_rf = ir->epsilon_rf;
2082         /* Generalized reaction field parameters are updated every step */
2083         if (ic->eeltype != eelGRF)
2084         {
2085             calc_rffac(fp, ic->eeltype, ic->epsilon_r, ic->epsilon_rf,
2086                        ic->rcoulomb, 0, 0, nullptr,
2087                        &ic->k_rf, &ic->c_rf);
2088         }
2089
2090         if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP && ic->eeltype == eelRF_ZERO)
2091         {
2092             /* grompp should have done this, but this scheme is obsolete */
2093             ic->coulomb_modifier = eintmodEXACTCUTOFF;
2094         }
2095     }
2096     else
2097     {
2098         /* For plain cut-off we might use the reaction-field kernels */
2099         ic->epsilon_rf = ic->epsilon_r;
2100         ic->k_rf       = 0;
2101         if (ir->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2102         {
2103             ic->c_rf   = 1/ic->rcoulomb;
2104         }
2105         else
2106         {
2107             ic->c_rf   = 0;
2108         }
2109     }
2110
2111     initCoulombEwaldParameters(fp, ir, systemHasNetCharge, ic);
2112
2113     if (fp != nullptr)
2114     {
2115         real dispersion_shift;
2116
2117         dispersion_shift = ic->dispersion_shift.cpot;
2118         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2119         {
2120             dispersion_shift -= ic->sh_lj_ewald;
2121         }
2122         fprintf(fp, "Potential shift: LJ r^-12: %.3e r^-6: %.3e",
2123                 ic->repulsion_shift.cpot, dispersion_shift);
2124
2125         if (ic->eeltype == eelCUT)
2126         {
2127             fprintf(fp, ", Coulomb %.e", -ic->c_rf);
2128         }
2129         else if (EEL_PME(ic->eeltype))
2130         {
2131             fprintf(fp, ", Ewald %.3e", -ic->sh_ewald);
2132         }
2133         fprintf(fp, "\n");
2134     }
2135
2136     *interaction_const = ic;
2137 }
2138
2139 static void
2140 done_interaction_const(interaction_const_t *interaction_const)
2141 {
2142     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_FDV0);
2143     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_F);
2144     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_V);
2145     sfree(interaction_const);
2146 }
2147
2148 static void init_nb_verlet(const gmx::MDLogger     &mdlog,
2149                            nonbonded_verlet_t     **nb_verlet,
2150                            gmx_bool                 bFEP_NonBonded,
2151                            const t_inputrec        *ir,
2152                            const t_forcerec        *fr,
2153                            const t_commrec         *cr,
2154                            const gmx_hw_info_t     &hardwareInfo,
2155                            const gmx_device_info_t *deviceInfo,
2156                            const gmx_mtop_t        *mtop,
2157                            matrix                   box)
2158 {
2159     nonbonded_verlet_t *nbv;
2160     char               *env;
2161
2162     nbnxn_alloc_t      *nb_alloc;
2163     nbnxn_free_t       *nb_free;
2164
2165     nbv = new nonbonded_verlet_t();
2166
2167     nbv->emulateGpu = ((getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr) ? EmulateGpuNonbonded::Yes : EmulateGpuNonbonded::No);
2168     nbv->bUseGPU    = deviceInfo != nullptr;
2169
2170     GMX_RELEASE_ASSERT(!(nbv->emulateGpu == EmulateGpuNonbonded::Yes && nbv->bUseGPU), "When GPU emulation is active, there cannot be a GPU assignment");
2171
2172     nbv->nbs             = nullptr;
2173     nbv->min_ci_balanced = 0;
2174
2175     nbv->ngrp = (DOMAINDECOMP(cr) ? 2 : 1);
2176     for (int i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2177     {
2178         nbv->grp[i].nbl_lists.nnbl = 0;
2179         nbv->grp[i].kernel_type    = nbnxnkNotSet;
2180
2181         if (i == 0) /* local */
2182         {
2183             pick_nbnxn_kernel(mdlog, fr->use_simd_kernels, hardwareInfo,
2184                               nbv->bUseGPU, nbv->emulateGpu, ir,
2185                               &nbv->grp[i].kernel_type,
2186                               &nbv->grp[i].ewald_excl,
2187                               fr->bNonbonded);
2188         }
2189         else /* non-local */
2190         {
2191             /* Use the same kernel for local and non-local interactions */
2192             nbv->grp[i].kernel_type = nbv->grp[0].kernel_type;
2193             nbv->grp[i].ewald_excl  = nbv->grp[0].ewald_excl;
2194         }
2195     }
2196
2197     nbv->listParams = std::unique_ptr<NbnxnListParameters>(new NbnxnListParameters(ir->rlist));
2198     setupDynamicPairlistPruning(mdlog, ir, mtop, box, nbv->grp[0].kernel_type, fr->ic,
2199                                 nbv->listParams.get());
2200
2201     nbv->nbs = gmx::compat::make_unique<nbnxn_search>(DOMAINDECOMP(cr) ? &cr->dd->nc : nullptr,
2202                                                       DOMAINDECOMP(cr) ? domdec_zones(cr->dd) : nullptr,
2203                                                       bFEP_NonBonded,
2204                                                       gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch));
2205
2206     gpu_set_host_malloc_and_free(nbv->grp[0].kernel_type == nbnxnk8x8x8_GPU,
2207                                  &nb_alloc, &nb_free);
2208
2209     for (int i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2210     {
2211         nbnxn_init_pairlist_set(&nbv->grp[i].nbl_lists,
2212                                 nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2213                                 /* 8x8x8 "non-simple" lists are ATM always combined */
2214                                 !nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2215                                 nb_alloc, nb_free);
2216     }
2217
2218     int      enbnxninitcombrule;
2219     if (fr->ic->vdwtype == evdwCUT &&
2220         (fr->ic->vdw_modifier == eintmodNONE ||
2221          fr->ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) &&
2222         getenv("GMX_NO_LJ_COMB_RULE") == nullptr)
2223     {
2224         /* Plain LJ cut-off: we can optimize with combination rules */
2225         enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleDETECT;
2226     }
2227     else if (fr->ic->vdwtype == evdwPME)
2228     {
2229         /* LJ-PME: we need to use a combination rule for the grid */
2230         if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeGEOM)
2231         {
2232             enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleGEOM;
2233         }
2234         else
2235         {
2236             enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleLB;
2237         }
2238     }
2239     else
2240     {
2241         /* We use a full combination matrix: no rule required */
2242         enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleNONE;
2243     }
2244
2245     snew(nbv->nbat, 1);
2246     int mimimumNumEnergyGroupNonbonded = ir->opts.ngener;
2247     if (ir->opts.ngener - ir->nwall == 1)
2248     {
2249         /* We have only one non-wall energy group, we do not need energy group
2250          * support in the non-bondeds kernels, since all non-bonded energy
2251          * contributions go to the first element of the energy group matrix.
2252          */
2253         mimimumNumEnergyGroupNonbonded = 1;
2254     }
2255     bool bSimpleList = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[0].kernel_type);
2256     nbnxn_atomdata_init(mdlog,
2257                         nbv->nbat,
2258                         nbv->grp[0].kernel_type,
2259                         enbnxninitcombrule,
2260                         fr->ntype, fr->nbfp,
2261                         mimimumNumEnergyGroupNonbonded,
2262                         bSimpleList ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : 1,
2263                         nb_alloc, nb_free);
2264
2265     if (nbv->bUseGPU)
2266     {
2267         /* init the NxN GPU data; the last argument tells whether we'll have
2268          * both local and non-local NB calculation on GPU */
2269         nbnxn_gpu_init(&nbv->gpu_nbv,
2270                        deviceInfo,
2271                        fr->ic,
2272                        nbv->listParams.get(),
2273                        nbv->nbat,
2274                        cr->nodeid,
2275                        (nbv->ngrp > 1));
2276
2277         if ((env = getenv("GMX_NB_MIN_CI")) != nullptr)
2278         {
2279             char *end;
2280
2281             nbv->min_ci_balanced = strtol(env, &end, 10);
2282             if (!end || (*end != 0) || nbv->min_ci_balanced < 0)
2283             {
2284                 gmx_fatal(FARGS, "Invalid value passed in GMX_NB_MIN_CI=%s, non-negative integer required", env);
2285             }
2286
2287             if (debug)
2288             {
2289                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (passed as env. var.)\n",
2290                         nbv->min_ci_balanced);
2291             }
2292         }
2293         else
2294         {
2295             nbv->min_ci_balanced = nbnxn_gpu_min_ci_balanced(nbv->gpu_nbv);
2296             if (debug)
2297             {
2298                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (auto-adjusted to the number of GPU multi-processors)\n",
2299                         nbv->min_ci_balanced);
2300             }
2301         }
2302
2303     }
2304
2305     *nb_verlet = nbv;
2306 }
2307
2308 gmx_bool usingGpu(nonbonded_verlet_t *nbv)
2309 {
2310     return nbv != nullptr && nbv->bUseGPU;
2311 }
2312
2313 void init_forcerec(FILE                             *fp,
2314                    const gmx::MDLogger              &mdlog,
2315                    t_forcerec                       *fr,
2316                    t_fcdata                         *fcd,
2317                    const t_inputrec                 *ir,
2318                    const gmx_mtop_t                 *mtop,
2319                    const t_commrec                  *cr,
2320                    matrix                            box,
2321                    const char                       *tabfn,
2322                    const char                       *tabpfn,
2323                    gmx::ArrayRef<const std::string>  tabbfnm,
2324                    const gmx_hw_info_t              &hardwareInfo,
2325                    const gmx_device_info_t          *deviceInfo,
2326                    gmx_bool                          bNoSolvOpt,
2327                    real                              print_force)
2328 {
2329     int            m, negp_pp, negptable, egi, egj;
2330     real           rtab;
2331     char          *env;
2332     double         dbl;
2333     const t_block *cgs;
2334     gmx_bool       bGenericKernelOnly;
2335     gmx_bool       needGroupSchemeTables, bSomeNormalNbListsAreInUse;
2336     gmx_bool       bFEP_NonBonded;
2337     int           *nm_ind, egp_flags;
2338
2339     /* By default we turn SIMD kernels on, but it might be turned off further down... */
2340     fr->use_simd_kernels = TRUE;
2341
2342     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::RangePartitioning molecules = gmx_mtop_molecules(*mtop);
2357         if (fr->n_tpi != molecules.block(molecules.numBlocks() - 1).size())
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->bondedThreading);
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     tear_down_bonded_threading(fr->bondedThreading);
3154     fr->bondedThreading = nullptr;
3155     sfree(fr);
3156 }