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, 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/domdec/domdec.h"
  53 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  54 #include "gromacs/ewald/ewald.h"
  55 #include "gromacs/fileio/filetypes.h"
  56 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  57 #include "gromacs/gmxlib/nonbonded/nonbonded.h"
  58 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
  59 #include "gromacs/hardware/detecthardware.h"
  60 #include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
  61 #include "gromacs/listed-forces/pairs.h"
  62 #include "gromacs/math/calculate-ewald-splitting-coefficient.h"
  63 #include "gromacs/math/functions.h"
  64 #include "gromacs/math/units.h"
  65 #include "gromacs/math/utilities.h"
  66 #include "gromacs/math/vec.h"
  67 #include "gromacs/mdlib/force.h"
  68 #include "gromacs/mdlib/forcerec-threading.h"
  69 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  70 #include "gromacs/mdlib/md_support.h"
  71 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
  72 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.h"
  73 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
  74 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
  75 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
  76 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_util.h"
  77 #include "gromacs/mdlib/ns.h"
  78 #include "gromacs/mdlib/qmmm.h"
  79 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  80 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  81 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
  82 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  83 #include "gromacs/mdtypes/iforceprovider.h"
  84 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  85 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  86 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  87 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  88 #include "gromacs/simd/simd.h"
  89 #include "gromacs/tables/forcetable.h"
  90 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  91 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
  92 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  93 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  94 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  95 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  96 #include "gromacs/utility/logger.h"
  97 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
  98 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  99 #include "gromacs/utility/strconvert.h"
 100
 101 #include "nbnxn_gpu_jit_support.h"
 102
 103 const char *egrp_nm[egNR+1] = {
 104     "Coul-SR", "LJ-SR", "Buck-SR",
 105     "Coul-14", "LJ-14", nullptr
 106 };
 107
 108 t_forcerec *mk_forcerec(void)
 109 {
 110     t_forcerec *fr;
 111
 112     snew(fr, 1);
 113
 114     return fr;
 115 }
 116
 117 #ifdef DEBUG
 118 static void pr_nbfp(FILE *fp, real *nbfp, gmx_bool bBHAM, int atnr)
 119 {
 120     int i, j;
 121
 122     for (i = 0; (i < atnr); i++)
 123     {
 124         for (j = 0; (j < atnr); j++)
 125         {
 126             fprintf(fp, "%2d - %2d", i, j);
 127             if (bBHAM)
 128             {
 129                 fprintf(fp, "  a=%10g, b=%10g, c=%10g\n", BHAMA(nbfp, atnr, i, j),
 130                         BHAMB(nbfp, atnr, i, j), BHAMC(nbfp, atnr, i, j)/6.0);
 131             }
 132             else
 133             {
 134                 fprintf(fp, "  c6=%10g, c12=%10g\n", C6(nbfp, atnr, i, j)/6.0,
 135                         C12(nbfp, atnr, i, j)/12.0);
 136             }
 137         }
 138     }
 139 }
 140 #endif
 141
 142 static real *mk_nbfp(const gmx_ffparams_t *idef, gmx_bool bBHAM)
 143 {
 144     real *nbfp;
 145     int   i, j, k, atnr;
 146
 147     atnr = idef->atnr;
 148     if (bBHAM)
 149     {
 150         snew(nbfp, 3*atnr*atnr);
 151         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 152         {
 153             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 154             {
 155                 BHAMA(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.a;
 156                 BHAMB(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.b;
 157                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
 158                 BHAMC(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.c*6.0;
 159             }
 160         }
 161     }
 162     else
 163     {
 164         snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 165         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 166         {
 167             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 168             {
 169                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
 170                 C6(nbfp, atnr, i, j)   = idef->iparams[k].lj.c6*6.0;
 171                 C12(nbfp, atnr, i, j)  = idef->iparams[k].lj.c12*12.0;
 172             }
 173         }
 174     }
 175
 176     return nbfp;
 177 }
 178
 179 static real *make_ljpme_c6grid(const gmx_ffparams_t *idef, t_forcerec *fr)
 180 {
 181     int        i, j, k, atnr;
 182     real       c6, c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 183     real      *grid;
 184
 185     /* For LJ-PME simulations, we correct the energies with the reciprocal space
 186      * inside of the cut-off. To do this the non-bonded kernels needs to have
 187      * access to the C6-values used on the reciprocal grid in pme.c
 188      */
 189
 190     atnr = idef->atnr;
 191     snew(grid, 2*atnr*atnr);
 192     for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 193     {
 194         for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 195         {
 196             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 197             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 198             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 199             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 200             c6   = std::sqrt(c6i * c6j);
 201             if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB
 202                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12i) && !gmx_numzero(c12j))
 203             {
 204                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 205                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 206                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 207                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 208                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 209             }
 210             /* Store the elements at the same relative positions as C6 in nbfp in order
 211              * to simplify access in the kernels
 212              */
 213             grid[2*(atnr*i+j)] = c6*6.0;
 214         }
 215     }
 216     return grid;
 217 }
 218
 219 static real *mk_nbfp_combination_rule(const gmx_ffparams_t *idef, int comb_rule)
 220 {
 221     real      *nbfp;
 222     int        i, j, atnr;
 223     real       c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 224     real       c6, c12;
 225
 226     atnr = idef->atnr;
 227     snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 228     for (i = 0; i < atnr; ++i)
 229     {
 230         for (j = 0; j < atnr; ++j)
 231         {
 232             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 233             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 234             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 235             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 236             c6   = std::sqrt(c6i  * c6j);
 237             c12  = std::sqrt(c12i * c12j);
 238             if (comb_rule == eCOMB_ARITHMETIC
 239                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12))
 240             {
 241                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 242                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 243                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 244                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 245                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 246                 c12    = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power12(0.5*(sigmai+sigmaj));
 247             }
 248             C6(nbfp, atnr, i, j)   = c6*6.0;
 249             C12(nbfp, atnr, i, j)  = c12*12.0;
 250         }
 251     }
 252     return nbfp;
 253 }
 254
 255 /* This routine sets fr->solvent_opt to the most common solvent in the
 256  * system, e.g. esolSPC or esolTIP4P. It will also mark each charge group in
 257  * the fr->solvent_type array with the correct type (or esolNO).
 258  *
 259  * Charge groups that fulfill the conditions but are not identical to the
 260  * most common one will be marked as esolNO in the solvent_type array.
 261  *
 262  * TIP3p is identical to SPC for these purposes, so we call it
 263  * SPC in the arrays (Apologies to Bill Jorgensen ;-)
 264  *
 265  * NOTE: QM particle should not
 266  * become an optimized solvent. Not even if there is only one charge
 267  * group in the Qm
 268  */
 269
 270 typedef struct
 271 {
 272     int    model;
 273     int    count;
 274     int    vdwtype[4];
 275     real   charge[4];
 276 } solvent_parameters_t;
 277
 278 static void
 279 check_solvent_cg(const gmx_moltype_t    *molt,
 280                  int                     cg0,
 281                  int                     nmol,
 282                  const unsigned char    *qm_grpnr,
 283                  const t_grps           *qm_grps,
 284                  t_forcerec   *          fr,
 285                  int                    *n_solvent_parameters,
 286                  solvent_parameters_t  **solvent_parameters_p,
 287                  int                     cginfo,
 288                  int                    *cg_sp)
 289 {
 290     t_atom               *atom;
 291     int                   j, k;
 292     int                   j0, j1, nj;
 293     gmx_bool              perturbed;
 294     gmx_bool              has_vdw[4];
 295     gmx_bool              match;
 296     real                  tmp_charge[4]  = { 0.0 }; /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 297     int                   tmp_vdwtype[4] = { 0 };   /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 298     int                   tjA;
 299     gmx_bool              qm;
 300     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 301
 302     /* We use a list with parameters for each solvent type.
 303      * Every time we discover a new molecule that fulfills the basic
 304      * conditions for a solvent we compare with the previous entries
 305      * in these lists. If the parameters are the same we just increment
 306      * the counter for that type, and otherwise we create a new type
 307      * based on the current molecule.
 308      *
 309      * Once we've finished going through all molecules we check which
 310      * solvent is most common, and mark all those molecules while we
 311      * clear the flag on all others.
 312      */
 313
 314     solvent_parameters = *solvent_parameters_p;
 315
 316     /* Mark the cg first as non optimized */
 317     *cg_sp = -1;
 318
 319     /* Check if this cg has no exclusions with atoms in other charge groups
 320      * and all atoms inside the charge group excluded.
 321      * We only have 3 or 4 atom solvent loops.
 322      */
 323     if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo) ||
 324         !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo))
 325     {
 326         return;
 327     }
 328
 329     /* Get the indices of the first atom in this charge group */
 330     j0     = molt->cgs.index[cg0];
 331     j1     = molt->cgs.index[cg0+1];
 332
 333     /* Number of atoms in our molecule */
 334     nj     = j1 - j0;
 335
 336     if (debug)
 337     {
 338         fprintf(debug,
 339                 "Moltype '%s': there are %d atoms in this charge group\n",
 340                 *molt->name, nj);
 341     }
 342
 343     /* Check if it could be an SPC (3 atoms) or TIP4p (4) water,
 344      * otherwise skip it.
 345      */
 346     if (nj < 3 || nj > 4)
 347     {
 348         return;
 349     }
 350
 351     /* Check if we are doing QM on this group */
 352     qm = FALSE;
 353     if (qm_grpnr != nullptr)
 354     {
 355         for (j = j0; j < j1 && !qm; j++)
 356         {
 357             qm = (qm_grpnr[j] < qm_grps->nr - 1);
 358         }
 359     }
 360     /* Cannot use solvent optimization with QM */
 361     if (qm)
 362     {
 363         return;
 364     }
 365
 366     atom = molt->atoms.atom;
 367
 368     /* Still looks like a solvent, time to check parameters */
 369
 370     /* If it is perturbed (free energy) we can't use the solvent loops,
 371      * so then we just skip to the next molecule.
 372      */
 373     perturbed = FALSE;
 374
 375     for (j = j0; j < j1 && !perturbed; j++)
 376     {
 377         perturbed = PERTURBED(atom[j]);
 378     }
 379
 380     if (perturbed)
 381     {
 382         return;
 383     }
 384
 385     /* Now it's only a question if the VdW and charge parameters
 386      * are OK. Before doing the check we compare and see if they are
 387      * identical to a possible previous solvent type.
 388      * First we assign the current types and charges.
 389      */
 390     for (j = 0; j < nj; j++)
 391     {
 392         tmp_vdwtype[j] = atom[j0+j].type;
 393         tmp_charge[j]  = atom[j0+j].q;
 394     }
 395
 396     /* Does it match any previous solvent type? */
 397     for (k = 0; k < *n_solvent_parameters; k++)
 398     {
 399         match = TRUE;
 400
 401
 402         /* We can only match SPC with 3 atoms and TIP4p with 4 atoms */
 403         if ( (solvent_parameters[k].model == esolSPC   && nj != 3)  ||
 404              (solvent_parameters[k].model == esolTIP4P && nj != 4) )
 405         {
 406             match = FALSE;
 407         }
 408
 409         /* Check that types & charges match for all atoms in molecule */
 410         for (j = 0; j < nj && match == TRUE; j++)
 411         {
 412             if (tmp_vdwtype[j] != solvent_parameters[k].vdwtype[j])
 413             {
 414                 match = FALSE;
 415             }
 416             if (tmp_charge[j] != solvent_parameters[k].charge[j])
 417             {
 418                 match = FALSE;
 419             }
 420         }
 421         if (match == TRUE)
 422         {
 423             /* Congratulations! We have a matched solvent.
 424              * Flag it with this type for later processing.
 425              */
 426             *cg_sp = k;
 427             solvent_parameters[k].count += nmol;
 428
 429             /* We are done with this charge group */
 430             return;
 431         }
 432     }
 433
 434     /* If we get here, we have a tentative new solvent type.
 435      * Before we add it we must check that it fulfills the requirements
 436      * of the solvent optimized loops. First determine which atoms have
 437      * VdW interactions.
 438      */
 439     for (j = 0; j < nj; j++)
 440     {
 441         has_vdw[j] = FALSE;
 442         tjA        = tmp_vdwtype[j];
 443
 444         /* Go through all other tpes and see if any have non-zero
 445          * VdW parameters when combined with this one.
 446          */
 447         for (k = 0; k < fr->ntype && (has_vdw[j] == FALSE); k++)
 448         {
 449             /* We already checked that the atoms weren't perturbed,
 450              * so we only need to check state A now.
 451              */
 452             if (fr->bBHAM)
 453             {
 454                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 455                               (BHAMA(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 456                               (BHAMB(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 457                               (BHAMC(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 458             }
 459             else
 460             {
 461                 /* Standard LJ */
 462                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 463                               (C6(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k)  != 0.0) ||
 464                               (C12(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 465             }
 466         }
 467     }
 468
 469     /* Now we know all we need to make the final check and assignment. */
 470     if (nj == 3)
 471     {
 472         /* So, is it an SPC?
 473          * For this we require thatn all atoms have charge,
 474          * the charges on atom 2 & 3 should be the same, and only
 475          * atom 1 might have VdW.
 476          */
 477         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 478             has_vdw[2] == FALSE &&
 479             tmp_charge[0]  != 0 &&
 480             tmp_charge[1]  != 0 &&
 481             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1])
 482         {
 483             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 484             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolSPC;
 485             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 486             for (k = 0; k < 3; k++)
 487             {
 488                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 489                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 490             }
 491
 492             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 493             (*n_solvent_parameters)++;
 494         }
 495     }
 496     else if (nj == 4)
 497     {
 498         /* Or could it be a TIP4P?
 499          * For this we require thatn atoms 2,3,4 have charge, but not atom 1.
 500          * Only atom 1 mght have VdW.
 501          */
 502         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 503             has_vdw[2] == FALSE &&
 504             has_vdw[3] == FALSE &&
 505             tmp_charge[0]  == 0 &&
 506             tmp_charge[1]  != 0 &&
 507             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1] &&
 508             tmp_charge[3]  != 0)
 509         {
 510             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 511             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolTIP4P;
 512             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 513             for (k = 0; k < 4; k++)
 514             {
 515                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 516                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 517             }
 518
 519             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 520             (*n_solvent_parameters)++;
 521         }
 522     }
 523
 524     *solvent_parameters_p = solvent_parameters;
 525 }
 526
 527 static void
 528 check_solvent(FILE  *                fp,
 529               const gmx_mtop_t  *    mtop,
 530               t_forcerec  *          fr,
 531               cginfo_mb_t           *cginfo_mb)
 532 {
 533     const t_block     *   cgs;
 534     const gmx_moltype_t  *molt;
 535     int                   mb, mol, cg_mol, at_offset, am, cgm, i, nmol_ch, nmol;
 536     int                   n_solvent_parameters;
 537     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 538     int                 **cg_sp;
 539     int                   bestsp, bestsol;
 540
 541     if (debug)
 542     {
 543         fprintf(debug, "Going to determine what solvent types we have.\n");
 544     }
 545
 546     n_solvent_parameters = 0;
 547     solvent_parameters   = nullptr;
 548     /* Allocate temporary array for solvent type */
 549     snew(cg_sp, mtop->nmolblock);
 550
 551     at_offset = 0;
 552     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 553     {
 554         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 555         cgs  = &molt->cgs;
 556         /* Here we have to loop over all individual molecules
 557          * because we need to check for QMMM particles.
 558          */
 559         snew(cg_sp[mb], cginfo_mb[mb].cg_mod);
 560         nmol_ch = cginfo_mb[mb].cg_mod/cgs->nr;
 561         nmol    = mtop->molblock[mb].nmol/nmol_ch;
 562         for (mol = 0; mol < nmol_ch; mol++)
 563         {
 564             cgm = mol*cgs->nr;
 565             am  = mol*cgs->index[cgs->nr];
 566             for (cg_mol = 0; cg_mol < cgs->nr; cg_mol++)
 567             {
 568                 check_solvent_cg(molt, cg_mol, nmol,
 569                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM] ?
 570                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM]+at_offset+am : nullptr,
 571                                  &mtop->groups.grps[egcQMMM],
 572                                  fr,
 573                                  &n_solvent_parameters, &solvent_parameters,
 574                                  cginfo_mb[mb].cginfo[cgm+cg_mol],
 575                                  &cg_sp[mb][cgm+cg_mol]);
 576             }
 577         }
 578         at_offset += cgs->index[cgs->nr];
 579     }
 580
 581     /* Puh! We finished going through all charge groups.
 582      * Now find the most common solvent model.
 583      */
 584
 585     /* Most common solvent this far */
 586     bestsp = -2;
 587     for (i = 0; i < n_solvent_parameters; i++)
 588     {
 589         if (bestsp == -2 ||
 590             solvent_parameters[i].count > solvent_parameters[bestsp].count)
 591         {
 592             bestsp = i;
 593         }
 594     }
 595
 596     if (bestsp >= 0)
 597     {
 598         bestsol = solvent_parameters[bestsp].model;
 599     }
 600     else
 601     {
 602         bestsol = esolNO;
 603     }
 604
 605     fr->nWatMol = 0;
 606     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 607     {
 608         cgs  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].cgs;
 609         nmol = (mtop->molblock[mb].nmol*cgs->nr)/cginfo_mb[mb].cg_mod;
 610         for (i = 0; i < cginfo_mb[mb].cg_mod; i++)
 611         {
 612             if (cg_sp[mb][i] == bestsp)
 613             {
 614                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], bestsol);
 615                 fr->nWatMol += nmol;
 616             }
 617             else
 618             {
 619                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], esolNO);
 620             }
 621         }
 622         sfree(cg_sp[mb]);
 623     }
 624     sfree(cg_sp);
 625
 626     if (bestsol != esolNO && fp != nullptr)
 627     {
 628         fprintf(fp, "\nEnabling %s-like water optimization for %d molecules.\n\n",
 629                 esol_names[bestsol],
 630                 solvent_parameters[bestsp].count);
 631     }
 632
 633     sfree(solvent_parameters);
 634     fr->solvent_opt = bestsol;
 635 }
 636
 637 enum {
 638     acNONE = 0, acCONSTRAINT, acSETTLE
 639 };
 640
 641 static cginfo_mb_t *init_cginfo_mb(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 642                                    t_forcerec *fr, gmx_bool bNoSolvOpt,
 643                                    gmx_bool *bFEP_NonBonded,
 644                                    gmx_bool *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone)
 645 {
 646     const t_block        *cgs;
 647     const t_blocka       *excl;
 648     const gmx_moltype_t  *molt;
 649     const gmx_molblock_t *molb;
 650     cginfo_mb_t          *cginfo_mb;
 651     gmx_bool             *type_VDW;
 652     int                  *cginfo;
 653     int                   cg_offset, a_offset;
 654     int                   mb, m, cg, a0, a1, gid, ai, j, aj, excl_nalloc;
 655     int                  *a_con;
 656     int                   ftype;
 657     int                   ia;
 658     gmx_bool              bId, *bExcl, bExclIntraAll, bExclInter, bHaveVDW, bHaveQ, bHavePerturbedAtoms;
 659
 660     snew(cginfo_mb, mtop->nmolblock);
 661
 662     snew(type_VDW, fr->ntype);
 663     for (ai = 0; ai < fr->ntype; ai++)
 664     {
 665         type_VDW[ai] = FALSE;
 666         for (j = 0; j < fr->ntype; j++)
 667         {
 668             type_VDW[ai] = type_VDW[ai] ||
 669                 fr->bBHAM ||
 670                 C6(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0 ||
 671                 C12(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0;
 672         }
 673     }
 674
 675     *bFEP_NonBonded               = FALSE;
 676     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = TRUE;
 677
 678     excl_nalloc = 10;
 679     snew(bExcl, excl_nalloc);
 680     cg_offset = 0;
 681     a_offset  = 0;
 682     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 683     {
 684         molb = &mtop->molblock[mb];
 685         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 686         cgs  = &molt->cgs;
 687         excl = &molt->excls;
 688
 689         /* Check if the cginfo is identical for all molecules in this block.
 690          * If so, we only need an array of the size of one molecule.
 691          * Otherwise we make an array of #mol times #cgs per molecule.
 692          */
 693         bId = TRUE;
 694         for (m = 0; m < molb->nmol; m++)
 695         {
 696             int am = m*cgs->index[cgs->nr];
 697             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 698             {
 699                 a0 = cgs->index[cg];
 700                 a1 = cgs->index[cg+1];
 701                 if (ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0) !=
 702                     ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset   +a0))
 703                 {
 704                     bId = FALSE;
 705                 }
 706                 if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM] != nullptr)
 707                 {
 708                     for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 709                     {
 710                         if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset+am+ai] !=
 711                             mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset   +ai])
 712                         {
 713                             bId = FALSE;
 714                         }
 715                     }
 716                 }
 717             }
 718         }
 719
 720         cginfo_mb[mb].cg_start = cg_offset;
 721         cginfo_mb[mb].cg_end   = cg_offset + molb->nmol*cgs->nr;
 722         cginfo_mb[mb].cg_mod   = (bId ? 1 : molb->nmol)*cgs->nr;
 723         snew(cginfo_mb[mb].cginfo, cginfo_mb[mb].cg_mod);
 724         cginfo = cginfo_mb[mb].cginfo;
 725
 726         /* Set constraints flags for constrained atoms */
 727         snew(a_con, molt->atoms.nr);
 728         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 729         {
 730             if (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT)
 731             {
 732                 int nral;
 733
 734                 nral = NRAL(ftype);
 735                 for (ia = 0; ia < molt->ilist[ftype].nr; ia += 1+nral)
 736                 {
 737                     int a;
 738
 739                     for (a = 0; a < nral; a++)
 740                     {
 741                         a_con[molt->ilist[ftype].iatoms[ia+1+a]] =
 742                             (ftype == F_SETTLE ? acSETTLE : acCONSTRAINT);
 743                     }
 744                 }
 745             }
 746         }
 747
 748         for (m = 0; m < (bId ? 1 : molb->nmol); m++)
 749         {
 750             int cgm = m*cgs->nr;
 751             int am  = m*cgs->index[cgs->nr];
 752             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 753             {
 754                 a0 = cgs->index[cg];
 755                 a1 = cgs->index[cg+1];
 756
 757                 /* Store the energy group in cginfo */
 758                 gid = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0);
 759                 SET_CGINFO_GID(cginfo[cgm+cg], gid);
 760
 761                 /* Check the intra/inter charge group exclusions */
 762                 if (a1-a0 > excl_nalloc)
 763                 {
 764                     excl_nalloc = a1 - a0;
 765                     srenew(bExcl, excl_nalloc);
 766                 }
 767                 /* bExclIntraAll: all intra cg interactions excluded
 768                  * bExclInter:    any inter cg interactions excluded
 769                  */
 770                 bExclIntraAll       = TRUE;
 771                 bExclInter          = FALSE;
 772                 bHaveVDW            = FALSE;
 773                 bHaveQ              = FALSE;
 774                 bHavePerturbedAtoms = FALSE;
 775                 for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 776                 {
 777                     /* Check VDW and electrostatic interactions */
 778                     bHaveVDW = bHaveVDW || (type_VDW[molt->atoms.atom[ai].type] ||
 779                                             type_VDW[molt->atoms.atom[ai].typeB]);
 780                     bHaveQ  = bHaveQ    || (molt->atoms.atom[ai].q != 0 ||
 781                                             molt->atoms.atom[ai].qB != 0);
 782
 783                     bHavePerturbedAtoms = bHavePerturbedAtoms || (PERTURBED(molt->atoms.atom[ai]) != 0);
 784
 785                     /* Clear the exclusion list for atom ai */
 786                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 787                     {
 788                         bExcl[aj-a0] = FALSE;
 789                     }
 790                     /* Loop over all the exclusions of atom ai */
 791                     for (j = excl->index[ai]; j < excl->index[ai+1]; j++)
 792                     {
 793                         aj = excl->a[j];
 794                         if (aj < a0 || aj >= a1)
 795                         {
 796                             bExclInter = TRUE;
 797                         }
 798                         else
 799                         {
 800                             bExcl[aj-a0] = TRUE;
 801                         }
 802                     }
 803                     /* Check if ai excludes a0 to a1 */
 804                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 805                     {
 806                         if (!bExcl[aj-a0])
 807                         {
 808                             bExclIntraAll = FALSE;
 809                         }
 810                     }
 811
 812                     switch (a_con[ai])
 813                     {
 814                         case acCONSTRAINT:
 815                             SET_CGINFO_CONSTR(cginfo[cgm+cg]);
 816                             break;
 817                         case acSETTLE:
 818                             SET_CGINFO_SETTLE(cginfo[cgm+cg]);
 819                             break;
 820                         default:
 821                             break;
 822                     }
 823                 }
 824                 if (bExclIntraAll)
 825                 {
 826                     SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cgm+cg]);
 827                 }
 828                 if (bExclInter)
 829                 {
 830                     SET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cgm+cg]);
 831                 }
 832                 if (a1 - a0 > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 833                 {
 834                     /* The size in cginfo is currently only read with DD */
 835                     gmx_fatal(FARGS, "A charge group has size %d which is larger than the limit of %d atoms", a1-a0, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 836                 }
 837                 if (bHaveVDW)
 838                 {
 839                     SET_CGINFO_HAS_VDW(cginfo[cgm+cg]);
 840                 }
 841                 if (bHaveQ)
 842                 {
 843                     SET_CGINFO_HAS_Q(cginfo[cgm+cg]);
 844                 }
 845                 if (bHavePerturbedAtoms && fr->efep != efepNO)
 846                 {
 847                     SET_CGINFO_FEP(cginfo[cgm+cg]);
 848                     *bFEP_NonBonded = TRUE;
 849                 }
 850                 /* Store the charge group size */
 851                 SET_CGINFO_NATOMS(cginfo[cgm+cg], a1-a0);
 852
 853                 if (!bExclIntraAll || bExclInter)
 854                 {
 855                     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = FALSE;
 856                 }
 857             }
 858         }
 859
 860         sfree(a_con);
 861
 862         cg_offset += molb->nmol*cgs->nr;
 863         a_offset  += molb->nmol*cgs->index[cgs->nr];
 864     }
 865     sfree(bExcl);
 866
 867     /* the solvent optimizer is called after the QM is initialized,
 868      * because we don't want to have the QM subsystemto become an
 869      * optimized solvent
 870      */
 871
 872     check_solvent(fplog, mtop, fr, cginfo_mb);
 873
 874     if (getenv("GMX_NO_SOLV_OPT"))
 875     {
 876         if (fplog)
 877         {
 878             fprintf(fplog, "Found environment variable GMX_NO_SOLV_OPT.\n"
 879                     "Disabling all solvent optimization\n");
 880         }
 881         fr->solvent_opt = esolNO;
 882     }
 883     if (bNoSolvOpt)
 884     {
 885         fr->solvent_opt = esolNO;
 886     }
 887     if (!fr->solvent_opt)
 888     {
 889         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 890         {
 891             for (cg = 0; cg < cginfo_mb[mb].cg_mod; cg++)
 892             {
 893                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[cg], esolNO);
 894             }
 895         }
 896     }
 897
 898     return cginfo_mb;
 899 }
 900
 901 static int *cginfo_expand(int nmb, cginfo_mb_t *cgi_mb)
 902 {
 903     int  ncg, mb, cg;
 904     int *cginfo;
 905
 906     ncg = cgi_mb[nmb-1].cg_end;
 907     snew(cginfo, ncg);
 908     mb = 0;
 909     for (cg = 0; cg < ncg; cg++)
 910     {
 911         while (cg >= cgi_mb[mb].cg_end)
 912         {
 913             mb++;
 914         }
 915         cginfo[cg] =
 916             cgi_mb[mb].cginfo[(cg - cgi_mb[mb].cg_start) % cgi_mb[mb].cg_mod];
 917     }
 918
 919     return cginfo;
 920 }
 921
 922 static void set_chargesum(FILE *log, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 923 {
 924     /*This now calculates sum for q and c6*/
 925     double         qsum, q2sum, q, c6sum, c6;
 926     int            mb, nmol, i;
 927     const t_atoms *atoms;
 928
 929     qsum   = 0;
 930     q2sum  = 0;
 931     c6sum  = 0;
 932     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 933     {
 934         nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 935         atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 936         for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 937         {
 938             q       = atoms->atom[i].q;
 939             qsum   += nmol*q;
 940             q2sum  += nmol*q*q;
 941             c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 942             c6sum  += nmol*c6;
 943         }
 944     }
 945     fr->qsum[0]   = qsum;
 946     fr->q2sum[0]  = q2sum;
 947     fr->c6sum[0]  = c6sum;
 948
 949     if (fr->efep != efepNO)
 950     {
 951         qsum   = 0;
 952         q2sum  = 0;
 953         c6sum  = 0;
 954         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 955         {
 956             nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 957             atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 958             for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 959             {
 960                 q       = atoms->atom[i].qB;
 961                 qsum   += nmol*q;
 962                 q2sum  += nmol*q*q;
 963                 c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 964                 c6sum  += nmol*c6;
 965             }
 966             fr->qsum[1]   = qsum;
 967             fr->q2sum[1]  = q2sum;
 968             fr->c6sum[1]  = c6sum;
 969         }
 970     }
 971     else
 972     {
 973         fr->qsum[1]   = fr->qsum[0];
 974         fr->q2sum[1]  = fr->q2sum[0];
 975         fr->c6sum[1]  = fr->c6sum[0];
 976     }
 977     if (log)
 978     {
 979         if (fr->efep == efepNO)
 980         {
 981             fprintf(log, "System total charge: %.3f\n", fr->qsum[0]);
 982         }
 983         else
 984         {
 985             fprintf(log, "System total charge, top. A: %.3f top. B: %.3f\n",
 986                     fr->qsum[0], fr->qsum[1]);
 987         }
 988     }
 989 }
 990
 991 void update_forcerec(t_forcerec *fr, matrix box)
 992 {
 993     if (fr->eeltype == eelGRF)
 994     {
 995         calc_rffac(nullptr, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
 996                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
 997                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->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             mb, nmol, 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->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 (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1084             {
1085                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1086                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1087                 excl  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].excls;
1088                 for (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 += 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[mtop->nmolblock-1].type].atoms;
1137
1138             npair = 0;
1139             for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1140             {
1141                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1142                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1143                 for (j = 0; j < atoms->nr; j++)
1144                 {
1145                     nmolc = nmol;
1146                     /* Remove the interaction of the test charge group
1147                      * with itself.
1148                      */
1149                     if (mb == mtop->nmolblock-1)
1150                     {
1151                         nmolc--;
1152
1153                         if (mb == 0 && 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->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 void set_bham_b_max(FILE *fplog, t_forcerec *fr,
1235                            const gmx_mtop_t *mtop)
1236 {
1237     const t_atoms *at1, *at2;
1238     int            mt1, mt2, i, j, tpi, tpj, ntypes;
1239     real           b, bmin;
1240     real          *nbfp;
1241
1242     if (fplog)
1243     {
1244         fprintf(fplog, "Determining largest Buckingham b parameter for table\n");
1245     }
1246     nbfp   = fr->nbfp;
1247     ntypes = fr->ntype;
1248
1249     bmin           = -1;
1250     fr->bham_b_max = 0;
1251     for (mt1 = 0; mt1 < mtop->nmoltype; mt1++)
1252     {
1253         at1 = &mtop->moltype[mt1].atoms;
1254         for (i = 0; (i < at1->nr); i++)
1255         {
1256             tpi = at1->atom[i].type;
1257             if (tpi >= ntypes)
1258             {
1259                 gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", i, tpi, ntypes);
1260             }
1261
1262             for (mt2 = mt1; mt2 < mtop->nmoltype; mt2++)
1263             {
1264                 at2 = &mtop->moltype[mt2].atoms;
1265                 for (j = 0; (j < at2->nr); j++)
1266                 {
1267                     tpj = at2->atom[j].type;
1268                     if (tpj >= ntypes)
1269                     {
1270                         gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", j, tpj, ntypes);
1271                     }
1272                     b = BHAMB(nbfp, ntypes, tpi, tpj);
1273                     if (b > fr->bham_b_max)
1274                     {
1275                         fr->bham_b_max = b;
1276                     }
1277                     if ((b < bmin) || (bmin == -1))
1278                     {
1279                         bmin = b;
1280                     }
1281                 }
1282             }
1283         }
1284     }
1285     if (fplog)
1286     {
1287         fprintf(fplog, "Buckingham b parameters, min: %g, max: %g\n",
1288                 bmin, fr->bham_b_max);
1289     }
1290 }
1291
1292 static void make_nbf_tables(FILE *fp,
1293                             t_forcerec *fr, real rtab,
1294                             const char *tabfn, char *eg1, char *eg2,
1295                             t_nblists *nbl)
1296 {
1297     char buf[STRLEN];
1298     int  i, j;
1299
1300     if (tabfn == nullptr)
1301     {
1302         if (debug)
1303         {
1304             fprintf(debug, "No table file name passed, can not read table, can not do non-bonded interactions\n");
1305         }
1306         return;
1307     }
1308
1309     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1310     if (eg1 && eg2)
1311     {
1312         /* Append the two energy group names */
1313         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s_%s.%s",
1314                 eg1, eg2, ftp2ext(efXVG));
1315     }
1316     nbl->table_elec_vdw = make_tables(fp, fr, buf, rtab, 0);
1317     /* Copy the contents of the table to separate coulomb and LJ tables too,
1318      * to improve cache performance.
1319      */
1320     /* For performance reasons we want
1321      * the table data to be aligned to 16-byte. The pointers could be freed
1322      * but currently aren't.
1323      */
1324     snew(nbl->table_elec, 1);
1325     nbl->table_elec->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_ELEC;
1326     nbl->table_elec->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1327     nbl->table_elec->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1328     nbl->table_elec->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1329     nbl->table_elec->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1330     nbl->table_elec->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1331     nbl->table_elec->ninteractions = 1;
1332     nbl->table_elec->stride        = nbl->table_elec->formatsize * nbl->table_elec->ninteractions;
1333     snew_aligned(nbl->table_elec->data, nbl->table_elec->stride*(nbl->table_elec->n+1), 32);
1334
1335     snew(nbl->table_vdw, 1);
1336     nbl->table_vdw->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_VDWREP_VDWDISP;
1337     nbl->table_vdw->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1338     nbl->table_vdw->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1339     nbl->table_vdw->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1340     nbl->table_vdw->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1341     nbl->table_vdw->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1342     nbl->table_vdw->ninteractions = 2;
1343     nbl->table_vdw->stride        = nbl->table_vdw->formatsize * nbl->table_vdw->ninteractions;
1344     snew_aligned(nbl->table_vdw->data, nbl->table_vdw->stride*(nbl->table_vdw->n+1), 32);
1345
1346     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
1347     {
1348         for (j = 0; j < 4; j++)
1349         {
1350             nbl->table_elec->data[4*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+j];
1351         }
1352         for (j = 0; j < 8; j++)
1353         {
1354             nbl->table_vdw->data[8*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+4+j];
1355         }
1356     }
1357 }
1358
1359 /*!\brief If there's bonded interactions of type \c ftype1 or \c
1360  * ftype2 present in the topology, build an array of the number of
1361  * interactions present for each bonded interaction index found in the
1362  * topology.
1363  *
1364  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1365  * valid type with that parameter.
1366  *
1367  * \c count will be reallocated as necessary to fit the largest bonded
1368  * interaction index found, and its current size will be returned in
1369  * \c ncount. It will contain zero for every bonded interaction index
1370  * for which no interactions are present in the topology.
1371  */
1372 static void count_tables(int ftype1, int ftype2, const gmx_mtop_t *mtop,
1373                          int *ncount, int **count)
1374 {
1375     const gmx_moltype_t *molt;
1376     const t_ilist       *il;
1377     int                  mt, ftype, stride, i, j, tabnr;
1378
1379     // Loop over all moleculetypes
1380     for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1381     {
1382         molt = &mtop->moltype[mt];
1383         // Loop over all interaction types
1384         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1385         {
1386             // If the current interaction type is one of the types whose tables we're trying to count...
1387             if (ftype == ftype1 || ftype == ftype2)
1388             {
1389                 il     = &molt->ilist[ftype];
1390                 stride = 1 + NRAL(ftype);
1391                 // ... and there are actually some interactions for this type
1392                 for (i = 0; i < il->nr; i += stride)
1393                 {
1394                     // Find out which table index the user wanted
1395                     tabnr = mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]].tab.table;
1396                     if (tabnr < 0)
1397                     {
1398                         gmx_fatal(FARGS, "A bonded table number is smaller than 0: %d\n", tabnr);
1399                     }
1400                     // Make room for this index in the data structure
1401                     if (tabnr >= *ncount)
1402                     {
1403                         srenew(*count, tabnr+1);
1404                         for (j = *ncount; j < tabnr+1; j++)
1405                         {
1406                             (*count)[j] = 0;
1407                         }
1408                         *ncount = tabnr+1;
1409                     }
1410                     // Record that this table index is used and must have a valid file
1411                     (*count)[tabnr]++;
1412                 }
1413             }
1414         }
1415     }
1416 }
1417
1418 /*!\brief If there's bonded interactions of flavour \c tabext and type
1419  * \c ftype1 or \c ftype2 present in the topology, seek them in the
1420  * list of filenames passed to mdrun, and make bonded tables from
1421  * those files.
1422  *
1423  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1424  * valid type with that parameter.
1425  *
1426  * A fatal error occurs if no matching filename is found.
1427  */
1428 static bondedtable_t *make_bonded_tables(FILE *fplog,
1429                                          int ftype1, int ftype2,
1430                                          const gmx_mtop_t *mtop,
1431                                          const t_filenm *tabbfnm,
1432                                          const char *tabext)
1433 {
1434     int            ncount, *count;
1435     bondedtable_t *tab;
1436
1437     tab = nullptr;
1438
1439     ncount = 0;
1440     count  = nullptr;
1441     count_tables(ftype1, ftype2, mtop, &ncount, &count);
1442
1443     // Are there any relevant tabulated bond interactions?
1444     if (ncount > 0)
1445     {
1446         snew(tab, ncount);
1447         for (int i = 0; i < ncount; i++)
1448         {
1449             // Do any interactions exist that requires this table?
1450             if (count[i] > 0)
1451             {
1452                 // This pattern enforces the current requirement that
1453                 // table filenames end in a characteristic sequence
1454                 // before the file type extension, and avoids table 13
1455                 // being recognized and used for table 1.
1456                 std::string patternToFind = gmx::formatString("_%s%d.%s", tabext, i, ftp2ext(efXVG));
1457                 bool        madeTable     = false;
1458                 for (int j = 0; j < tabbfnm->nfiles && !madeTable; ++j)
1459                 {
1460                     std::string filename(tabbfnm->fns[j]);
1461                     if (gmx::endsWith(filename, patternToFind))
1462                     {
1463                         // Finally read the table from the file found
1464                         tab[i]    = make_bonded_table(fplog, tabbfnm->fns[j], NRAL(ftype1)-2);
1465                         madeTable = true;
1466                     }
1467                 }
1468                 if (!madeTable)
1469                 {
1470                     bool isPlural = (ftype2 != -1);
1471                     gmx_fatal(FARGS, "Tabulated interaction of type '%s%s%s' with index %d cannot be used because no table file whose name matched '%s' was passed via the gmx mdrun -tableb command-line option.",
1472                               interaction_function[ftype1].longname,
1473                               isPlural ? "' or '" : "",
1474                               isPlural ? interaction_function[ftype2].longname : "",
1475                               i,
1476                               patternToFind.c_str());
1477                 }
1478             }
1479         }
1480         sfree(count);
1481     }
1482
1483     return tab;
1484 }
1485
1486 void forcerec_set_ranges(t_forcerec *fr,
1487                          int ncg_home, int ncg_force,
1488                          int natoms_force,
1489                          int natoms_force_constr, int natoms_f_novirsum)
1490 {
1491     fr->cg0 = 0;
1492     fr->hcg = ncg_home;
1493
1494     /* fr->ncg_force is unused in the standard code,
1495      * but it can be useful for modified code dealing with charge groups.
1496      */
1497     fr->ncg_force           = ncg_force;
1498     fr->natoms_force        = natoms_force;
1499     fr->natoms_force_constr = natoms_force_constr;
1500
1501     if (fr->natoms_force_constr > fr->nalloc_force)
1502     {
1503         fr->nalloc_force = over_alloc_dd(fr->natoms_force_constr);
1504     }
1505
1506     if (fr->bF_NoVirSum)
1507     {
1508         /* TODO: remove this + 1 when padding is properly implemented */
1509         fr->forceBufferNoVirialSummation->resize(natoms_f_novirsum + 1);
1510     }
1511 }
1512
1513 static real cutoff_inf(real cutoff)
1514 {
1515     if (cutoff == 0)
1516     {
1517         cutoff = GMX_CUTOFF_INF;
1518     }
1519
1520     return cutoff;
1521 }
1522
1523 gmx_bool can_use_allvsall(const t_inputrec *ir, gmx_bool bPrintNote, t_commrec *cr, FILE *fp)
1524 {
1525     gmx_bool bAllvsAll;
1526
1527     bAllvsAll =
1528         (
1529             ir->rlist == 0            &&
1530             ir->rcoulomb == 0         &&
1531             ir->rvdw == 0             &&
1532             ir->ePBC == epbcNONE      &&
1533             ir->vdwtype == evdwCUT    &&
1534             ir->coulombtype == eelCUT &&
1535             ir->efep == efepNO        &&
1536             (ir->implicit_solvent == eisNO ||
1537              (ir->implicit_solvent == eisGBSA && (ir->gb_algorithm == egbSTILL ||
1538                                                   ir->gb_algorithm == egbHCT   ||
1539                                                   ir->gb_algorithm == egbOBC))) &&
1540             getenv("GMX_NO_ALLVSALL") == nullptr
1541         );
1542
1543     if (bAllvsAll && ir->opts.ngener > 1)
1544     {
1545         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";
1546
1547         if (bPrintNote)
1548         {
1549             if (fp != nullptr)
1550             {
1551                 fprintf(fp, "\n%s\n", note);
1552             }
1553         }
1554         bAllvsAll = FALSE;
1555     }
1556
1557     if (bAllvsAll && fp && MASTER(cr))
1558     {
1559         fprintf(fp, "\nUsing SIMD all-vs-all kernels.\n\n");
1560     }
1561
1562     return bAllvsAll;
1563 }
1564
1565
1566 gmx_bool nbnxn_simd_supported(const gmx::MDLogger &mdlog,
1567                               const t_inputrec    *ir)
1568 {
1569     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1570     {
1571         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1572          * This so slow that we don't compile SIMD non-bonded kernels
1573          * for that. */
1574         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with SIMD kernels, falling back to plain C kernels");
1575         return FALSE;
1576     }
1577
1578     return TRUE;
1579 }
1580
1581
1582 static void pick_nbnxn_kernel_cpu(const t_inputrec gmx_unused *ir,
1583                                   int                         *kernel_type,
1584                                   int                         *ewald_excl)
1585 {
1586     *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1587     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1588
1589 #if GMX_SIMD
1590     {
1591 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1592         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1593 #endif
1594 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1595         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1596 #endif
1597
1598 #if defined GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && defined GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1599         /* We need to choose if we want 2x(N+N) or 4xN kernels.
1600          * Currently this is based on the SIMD acceleration choice,
1601          * but it might be better to decide this at runtime based on CPU.
1602          *
1603          * 4xN calculates more (zero) interactions, but has less pair-search
1604          * work and much better kernel instruction scheduling.
1605          *
1606          * Up till now we have only seen that on Intel Sandy/Ivy Bridge,
1607          * which doesn't have FMA, both the analytical and tabulated Ewald
1608          * kernels have similar pair rates for 4x8 and 2x(4+4), so we choose
1609          * 2x(4+4) because it results in significantly fewer pairs.
1610          * For RF, the raw pair rate of the 4x8 kernel is higher than 2x(4+4),
1611          * 10% with HT, 50% without HT. As we currently don't detect the actual
1612          * use of HT, use 4x8 to avoid a potential performance hit.
1613          * On Intel Haswell 4x8 is always faster.
1614          */
1615         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1616
1617 #if !GMX_SIMD_HAVE_FMA
1618         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) ||
1619             EVDW_PME(ir->vdwtype))
1620         {
1621             /* We have Ewald kernels without FMA (Intel Sandy/Ivy Bridge).
1622              * There are enough instructions to make 2x(4+4) efficient.
1623              */
1624             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1625         }
1626 #endif
1627 #endif  /* GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && GMX_NBNXN_SIMD_4XN */
1628
1629
1630         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_4XN") != nullptr)
1631         {
1632 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1633             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1634 #else
1635             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 4xN kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1636 #endif
1637         }
1638         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_2XNN") != nullptr)
1639         {
1640 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1641             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1642 #else
1643             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 2x(N+N) kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1644 #endif
1645         }
1646
1647         /* Analytical Ewald exclusion correction is only an option in
1648          * the SIMD kernel.
1649          * Since table lookup's don't parallelize with SIMD, analytical
1650          * will probably always be faster for a SIMD width of 8 or more.
1651          * With FMA analytical is sometimes faster for a width if 4 as well.
1652          * On BlueGene/Q, this is faster regardless of precision.
1653          * In single precision, this is faster on Bulldozer.
1654          */
1655 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 8 || \
1656         (GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 4 && GMX_SIMD_HAVE_FMA && !GMX_DOUBLE) || GMX_SIMD_IBM_QPX
1657         *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1658 #endif
1659         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_TABLE") != nullptr)
1660         {
1661             *ewald_excl = ewaldexclTable;
1662         }
1663         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_ANALYTICAL") != nullptr)
1664         {
1665             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1666         }
1667
1668     }
1669 #endif // GMX_SIMD
1670 }
1671
1672
1673 const char *lookup_nbnxn_kernel_name(int kernel_type)
1674 {
1675     const char *returnvalue = nullptr;
1676     switch (kernel_type)
1677     {
1678         case nbnxnkNotSet:
1679             returnvalue = "not set";
1680             break;
1681         case nbnxnk4x4_PlainC:
1682             returnvalue = "plain C";
1683             break;
1684         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
1685         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
1686 #if GMX_SIMD
1687             returnvalue = "SIMD";
1688 #else  // GMX_SIMD
1689             returnvalue = "not available";
1690 #endif // GMX_SIMD
1691             break;
1692         case nbnxnk8x8x8_GPU: returnvalue    = "GPU"; break;
1693         case nbnxnk8x8x8_PlainC: returnvalue = "plain C"; break;
1694
1695         case nbnxnkNR:
1696         default:
1697             gmx_fatal(FARGS, "Illegal kernel type selected");
1698             returnvalue = nullptr;
1699             break;
1700     }
1701     return returnvalue;
1702 };
1703
1704 static void pick_nbnxn_kernel(FILE                *fp,
1705                               const gmx::MDLogger &mdlog,
1706                               gmx_bool             use_simd_kernels,
1707                               gmx_bool             bUseGPU,
1708                               bool                 emulateGpu,
1709                               const t_inputrec    *ir,
1710                               int                 *kernel_type,
1711                               int                 *ewald_excl,
1712                               gmx_bool             bDoNonbonded)
1713 {
1714     assert(kernel_type);
1715
1716     *kernel_type = nbnxnkNotSet;
1717     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1718
1719     if (emulateGpu)
1720     {
1721         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_PlainC;
1722
1723         if (bDoNonbonded)
1724         {
1725             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("Emulating a GPU run on the CPU (slow)");
1726         }
1727     }
1728     else if (bUseGPU)
1729     {
1730         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_GPU;
1731     }
1732
1733     if (*kernel_type == nbnxnkNotSet)
1734     {
1735         if (use_simd_kernels &&
1736             nbnxn_simd_supported(mdlog, ir))
1737         {
1738             pick_nbnxn_kernel_cpu(ir, kernel_type, ewald_excl);
1739         }
1740         else
1741         {
1742             *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1743         }
1744     }
1745
1746     if (bDoNonbonded && fp != nullptr)
1747     {
1748         fprintf(fp, "\nUsing %s %dx%d non-bonded kernels\n\n",
1749                 lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type),
1750                 nbnxn_kernel_to_cluster_i_size(*kernel_type),
1751                 nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(*kernel_type));
1752
1753         if (nbnxnk4x4_PlainC == *kernel_type ||
1754             nbnxnk8x8x8_PlainC == *kernel_type)
1755         {
1756             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendTextFormatted(
1757                     "WARNING: Using the slow %s kernels. This should\n"
1758                     "not happen during routine usage on supported platforms.",
1759                     lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type));
1760         }
1761     }
1762 }
1763
1764 static void pick_nbnxn_resources(const gmx::MDLogger &mdlog,
1765                                  const t_commrec     *cr,
1766                                  const gmx_hw_info_t *hwinfo,
1767                                  gmx_bool            *bUseGPU,
1768                                  bool                 emulateGpu,
1769                                  const gmx_gpu_opt_t *gpu_opt)
1770 {
1771     char     gpu_err_str[STRLEN];
1772
1773     *bUseGPU = FALSE;
1774
1775     /* Enable GPU mode when GPUs are available or no GPU emulation is requested.
1776      */
1777     if (gpu_opt->n_dev_use > 0 && !emulateGpu)
1778     {
1779         /* Each PP node will use the intra-node id-th device from the
1780          * list of detected/selected GPUs. */
1781         if (!init_gpu(mdlog, cr->rank_pp_intranode, gpu_err_str,
1782                       &hwinfo->gpu_info, gpu_opt))
1783         {
1784             /* At this point the init should never fail as we made sure that
1785              * we have all the GPUs we need. If it still does, we'll bail. */
1786             /* TODO the decorating of gpu_err_str is nicer if it
1787                happens inside init_gpu. Out here, the decorating with
1788                the MPI rank makes sense. */
1789             gmx_fatal(FARGS, "On rank %d failed to initialize GPU #%d: %s",
1790                       cr->nodeid,
1791                       get_gpu_device_id(&hwinfo->gpu_info, gpu_opt,
1792                                         cr->rank_pp_intranode),
1793                       gpu_err_str);
1794         }
1795
1796         /* Here we actually turn on hardware GPU acceleration */
1797         *bUseGPU = TRUE;
1798     }
1799 }
1800
1801 gmx_bool uses_simple_tables(int                 cutoff_scheme,
1802                             nonbonded_verlet_t *nbv,
1803                             int                 group)
1804 {
1805     gmx_bool bUsesSimpleTables = TRUE;
1806     int      grp_index;
1807
1808     switch (cutoff_scheme)
1809     {
1810         case ecutsGROUP:
1811             bUsesSimpleTables = TRUE;
1812             break;
1813         case ecutsVERLET:
1814             assert(NULL != nbv && NULL != nbv->grp);
1815             grp_index         = (group < 0) ? 0 : (nbv->ngrp - 1);
1816             bUsesSimpleTables = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[grp_index].kernel_type);
1817             break;
1818         default:
1819             gmx_incons("unimplemented");
1820     }
1821     return bUsesSimpleTables;
1822 }
1823
1824 static void init_ewald_f_table(interaction_const_t *ic,
1825                                real                 rtab)
1826 {
1827     real maxr;
1828
1829     /* Get the Ewald table spacing based on Coulomb and/or LJ
1830      * Ewald coefficients and rtol.
1831      */
1832     ic->tabq_scale = ewald_spline3_table_scale(ic);
1833
1834     if (ic->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1835     {
1836         maxr = ic->rcoulomb;
1837     }
1838     else
1839     {
1840         maxr = std::max(ic->rcoulomb, rtab);
1841     }
1842     ic->tabq_size  = static_cast<int>(maxr*ic->tabq_scale) + 2;
1843
1844     sfree_aligned(ic->tabq_coul_FDV0);
1845     sfree_aligned(ic->tabq_coul_F);
1846     sfree_aligned(ic->tabq_coul_V);
1847
1848     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0);
1849     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_F);
1850     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_V);
1851
1852     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype))
1853     {
1854         /* Create the original table data in FDV0 */
1855         snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1856         snew_aligned(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_size, 32);
1857         snew_aligned(ic->tabq_coul_V, ic->tabq_size, 32);
1858         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_coul_V, ic->tabq_coul_FDV0,
1859                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_q, v_q_ewald_lr);
1860     }
1861
1862     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1863     {
1864         snew_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1865         snew_aligned(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_size, 32);
1866         snew_aligned(ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_size, 32);
1867         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_vdw_FDV0,
1868                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_lj, v_lj_ewald_lr);
1869     }
1870 }
1871
1872 void init_interaction_const_tables(FILE                *fp,
1873                                    interaction_const_t *ic,
1874                                    real                 rtab)
1875 {
1876     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype))
1877     {
1878         init_ewald_f_table(ic, rtab);
1879
1880         if (fp != nullptr)
1881         {
1882             fprintf(fp, "Initialized non-bonded Ewald correction tables, spacing: %.2e size: %d\n\n",
1883                     1/ic->tabq_scale, ic->tabq_size);
1884         }
1885     }
1886 }
1887
1888 static void clear_force_switch_constants(shift_consts_t *sc)
1889 {
1890     sc->c2   = 0;
1891     sc->c3   = 0;
1892     sc->cpot = 0;
1893 }
1894
1895 static void force_switch_constants(real p,
1896                                    real rsw, real rc,
1897                                    shift_consts_t *sc)
1898 {
1899     /* Here we determine the coefficient for shifting the force to zero
1900      * between distance rsw and the cut-off rc.
1901      * For a potential of r^-p, we have force p*r^-(p+1).
1902      * But to save flops we absorb p in the coefficient.
1903      * Thus we get:
1904      * force/p   = r^-(p+1) + c2*r^2 + c3*r^3
1905      * potential = r^-p + c2/3*r^3 + c3/4*r^4 + cpot
1906      */
1907     sc->c2   =  ((p + 1)*rsw - (p + 4)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::square(rc - rsw));
1908     sc->c3   = -((p + 1)*rsw - (p + 3)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::power3(rc - rsw));
1909     sc->cpot = -pow(rc, -p) + p*sc->c2/3*gmx::power3(rc - rsw) + p*sc->c3/4*gmx::power4(rc - rsw);
1910 }
1911
1912 static void potential_switch_constants(real rsw, real rc,
1913                                        switch_consts_t *sc)
1914 {
1915     /* The switch function is 1 at rsw and 0 at rc.
1916      * The derivative and second derivate are zero at both ends.
1917      * rsw        = max(r - r_switch, 0)
1918      * sw         = 1 + c3*rsw^3 + c4*rsw^4 + c5*rsw^5
1919      * dsw        = 3*c3*rsw^2 + 4*c4*rsw^3 + 5*c5*rsw^4
1920      * force      = force*dsw - potential*sw
1921      * potential *= sw
1922      */
1923     sc->c3 = -10/gmx::power3(rc - rsw);
1924     sc->c4 =  15/gmx::power4(rc - rsw);
1925     sc->c5 =  -6/gmx::power5(rc - rsw);
1926 }
1927
1928 /*! \brief Construct interaction constants
1929  *
1930  * This data is used (particularly) by search and force code for
1931  * short-range interactions. Many of these are constant for the whole
1932  * simulation; some are constant only after PME tuning completes.
1933  */
1934 static void
1935 init_interaction_const(FILE                       *fp,
1936                        interaction_const_t       **interaction_const,
1937                        const t_forcerec           *fr)
1938 {
1939     interaction_const_t *ic;
1940
1941     snew(ic, 1);
1942
1943     ic->cutoff_scheme   = fr->cutoff_scheme;
1944
1945     /* Just allocate something so we can free it */
1946     snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, 16, 32);
1947     snew_aligned(ic->tabq_coul_F, 16, 32);
1948     snew_aligned(ic->tabq_coul_V, 16, 32);
1949
1950     ic->rlist           = fr->rlist;
1951
1952     /* Lennard-Jones */
1953     ic->vdwtype         = fr->vdwtype;
1954     ic->vdw_modifier    = fr->vdw_modifier;
1955     ic->rvdw            = fr->rvdw;
1956     ic->rvdw_switch     = fr->rvdw_switch;
1957     ic->ewaldcoeff_lj   = fr->ewaldcoeff_lj;
1958     ic->ljpme_comb_rule = fr->ljpme_combination_rule;
1959     ic->sh_lj_ewald     = 0;
1960     clear_force_switch_constants(&ic->dispersion_shift);
1961     clear_force_switch_constants(&ic->repulsion_shift);
1962
1963     switch (ic->vdw_modifier)
1964     {
1965         case eintmodPOTSHIFT:
1966             /* Only shift the potential, don't touch the force */
1967             ic->dispersion_shift.cpot = -1.0/gmx::power6(ic->rvdw);
1968             ic->repulsion_shift.cpot  = -1.0/gmx::power12(ic->rvdw);
1969             if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1970             {
1971                 real crc2;
1972
1973                 crc2            = gmx::square(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
1974                 ic->sh_lj_ewald = (std::exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)/gmx::power6(ic->rvdw);
1975             }
1976             break;
1977         case eintmodFORCESWITCH:
1978             /* Switch the force, switch and shift the potential */
1979             force_switch_constants(6.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
1980                                    &ic->dispersion_shift);
1981             force_switch_constants(12.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
1982                                    &ic->repulsion_shift);
1983             break;
1984         case eintmodPOTSWITCH:
1985             /* Switch the potential and force */
1986             potential_switch_constants(ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
1987                                        &ic->vdw_switch);
1988             break;
1989         case eintmodNONE:
1990         case eintmodEXACTCUTOFF:
1991             /* Nothing to do here */
1992             break;
1993         default:
1994             gmx_incons("unimplemented potential modifier");
1995     }
1996
1997     ic->sh_invrc6 = -ic->dispersion_shift.cpot;
1998
1999     /* Electrostatics */
2000     ic->eeltype          = fr->eeltype;
2001     ic->coulomb_modifier = fr->coulomb_modifier;
2002     ic->rcoulomb         = fr->rcoulomb;
2003     ic->epsilon_r        = fr->epsilon_r;
2004     ic->epsfac           = fr->epsfac;
2005     ic->ewaldcoeff_q     = fr->ewaldcoeff_q;
2006
2007     if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2008     {
2009         ic->sh_ewald = std::erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb);
2010     }
2011     else
2012     {
2013         ic->sh_ewald = 0;
2014     }
2015
2016     /* Reaction-field */
2017     if (EEL_RF(ic->eeltype))
2018     {
2019         ic->epsilon_rf = fr->epsilon_rf;
2020         ic->k_rf       = fr->k_rf;
2021         ic->c_rf       = fr->c_rf;
2022     }
2023     else
2024     {
2025         /* For plain cut-off we might use the reaction-field kernels */
2026         ic->epsilon_rf = ic->epsilon_r;
2027         ic->k_rf       = 0;
2028         if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2029         {
2030             ic->c_rf   = 1/ic->rcoulomb;
2031         }
2032         else
2033         {
2034             ic->c_rf   = 0;
2035         }
2036     }
2037
2038     if (fp != nullptr)
2039     {
2040         real dispersion_shift;
2041
2042         dispersion_shift = ic->dispersion_shift.cpot;
2043         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2044         {
2045             dispersion_shift -= ic->sh_lj_ewald;
2046         }
2047         fprintf(fp, "Potential shift: LJ r^-12: %.3e r^-6: %.3e",
2048                 ic->repulsion_shift.cpot, dispersion_shift);
2049
2050         if (ic->eeltype == eelCUT)
2051         {
2052             fprintf(fp, ", Coulomb %.e", -ic->c_rf);
2053         }
2054         else if (EEL_PME(ic->eeltype))
2055         {
2056             fprintf(fp, ", Ewald %.3e", -ic->sh_ewald);
2057         }
2058         fprintf(fp, "\n");
2059     }
2060
2061     *interaction_const = ic;
2062 }
2063
2064 static void init_nb_verlet(FILE                *fp,
2065                            const gmx::MDLogger &mdlog,
2066                            nonbonded_verlet_t **nb_verlet,
2067                            gmx_bool             bFEP_NonBonded,
2068                            const t_inputrec    *ir,
2069                            const t_forcerec    *fr,
2070                            const t_commrec     *cr,
2071                            const char          *nbpu_opt)
2072 {
2073     nonbonded_verlet_t *nbv;
2074     int                 i;
2075     char               *env;
2076     gmx_bool            bHybridGPURun = FALSE;
2077
2078     nbnxn_alloc_t      *nb_alloc;
2079     nbnxn_free_t       *nb_free;
2080
2081     snew(nbv, 1);
2082
2083     nbv->emulateGpu = (getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr);
2084     pick_nbnxn_resources(mdlog, cr, fr->hwinfo,
2085                          &nbv->bUseGPU,
2086                          nbv->emulateGpu,
2087                          fr->gpu_opt);
2088
2089     nbv->nbs             = nullptr;
2090     nbv->min_ci_balanced = 0;
2091
2092     nbv->ngrp = (DOMAINDECOMP(cr) ? 2 : 1);
2093     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2094     {
2095         nbv->grp[i].nbl_lists.nnbl = 0;
2096         nbv->grp[i].nbat           = nullptr;
2097         nbv->grp[i].kernel_type    = nbnxnkNotSet;
2098
2099         if (i == 0) /* local */
2100         {
2101             pick_nbnxn_kernel(fp, mdlog, fr->use_simd_kernels,
2102                               nbv->bUseGPU, nbv->emulateGpu, ir,
2103                               &nbv->grp[i].kernel_type,
2104                               &nbv->grp[i].ewald_excl,
2105                               fr->bNonbonded);
2106         }
2107         else /* non-local */
2108         {
2109             if (nbpu_opt != nullptr && strcmp(nbpu_opt, "gpu_cpu") == 0)
2110             {
2111                 /* Use GPU for local, select a CPU kernel for non-local */
2112                 pick_nbnxn_kernel(fp, mdlog, fr->use_simd_kernels,
2113                                   FALSE, false, ir,
2114                                   &nbv->grp[i].kernel_type,
2115                                   &nbv->grp[i].ewald_excl,
2116                                   fr->bNonbonded);
2117
2118                 bHybridGPURun = TRUE;
2119             }
2120             else
2121             {
2122                 /* Use the same kernel for local and non-local interactions */
2123                 nbv->grp[i].kernel_type = nbv->grp[0].kernel_type;
2124                 nbv->grp[i].ewald_excl  = nbv->grp[0].ewald_excl;
2125             }
2126         }
2127     }
2128
2129     nbnxn_init_search(&nbv->nbs,
2130                       DOMAINDECOMP(cr) ? &cr->dd->nc : nullptr,
2131                       DOMAINDECOMP(cr) ? domdec_zones(cr->dd) : nullptr,
2132                       bFEP_NonBonded,
2133                       gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch));
2134
2135     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2136     {
2137         gpu_set_host_malloc_and_free(nbv->grp[0].kernel_type == nbnxnk8x8x8_GPU,
2138                                      &nb_alloc, &nb_free);
2139
2140         nbnxn_init_pairlist_set(&nbv->grp[i].nbl_lists,
2141                                 nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2142                                 /* 8x8x8 "non-simple" lists are ATM always combined */
2143                                 !nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2144                                 nb_alloc, nb_free);
2145
2146         if (i == 0 ||
2147             nbv->grp[0].kernel_type != nbv->grp[i].kernel_type)
2148         {
2149             gmx_bool bSimpleList;
2150             int      enbnxninitcombrule;
2151
2152             bSimpleList = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type);
2153
2154             if (fr->vdwtype == evdwCUT &&
2155                 (fr->vdw_modifier == eintmodNONE ||
2156                  fr->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) &&
2157                 getenv("GMX_NO_LJ_COMB_RULE") == nullptr)
2158             {
2159                 /* Plain LJ cut-off: we can optimize with combination rules */
2160                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleDETECT;
2161             }
2162             else if (fr->vdwtype == evdwPME)
2163             {
2164                 /* LJ-PME: we need to use a combination rule for the grid */
2165                 if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeGEOM)
2166                 {
2167                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleGEOM;
2168                 }
2169                 else
2170                 {
2171                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleLB;
2172                 }
2173             }
2174             else
2175             {
2176                 /* We use a full combination matrix: no rule required */
2177                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleNONE;
2178             }
2179
2180
2181             snew(nbv->grp[i].nbat, 1);
2182             nbnxn_atomdata_init(fp,
2183                                 nbv->grp[i].nbat,
2184                                 nbv->grp[i].kernel_type,
2185                                 enbnxninitcombrule,
2186                                 fr->ntype, fr->nbfp,
2187                                 ir->opts.ngener,
2188                                 bSimpleList ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : 1,
2189                                 nb_alloc, nb_free);
2190         }
2191         else
2192         {
2193             nbv->grp[i].nbat = nbv->grp[0].nbat;
2194         }
2195     }
2196
2197     if (nbv->bUseGPU)
2198     {
2199         /* init the NxN GPU data; the last argument tells whether we'll have
2200          * both local and non-local NB calculation on GPU */
2201         nbnxn_gpu_init(&nbv->gpu_nbv,
2202                        &fr->hwinfo->gpu_info,
2203                        fr->gpu_opt,
2204                        fr->ic,
2205                        nbv->grp,
2206                        cr->rank_pp_intranode,
2207                        cr->nodeid,
2208                        (nbv->ngrp > 1) && !bHybridGPURun);
2209
2210         /* With tMPI + GPUs some ranks may be sharing GPU(s) and therefore
2211          * also sharing texture references. To keep the code simple, we don't
2212          * treat texture references as shared resources, but this means that
2213          * the coulomb_tab and nbfp texture refs will get updated by multiple threads.
2214          * Hence, to ensure that the non-bonded kernels don't start before all
2215          * texture binding operations are finished, we need to wait for all ranks
2216          * to arrive here before continuing.
2217          *
2218          * Note that we could omit this barrier if GPUs are not shared (or
2219          * texture objects are used), but as this is initialization code, there
2220          * is no point in complicating things.
2221          */
2222 #if GMX_THREAD_MPI
2223         if (PAR(cr))
2224         {
2225             gmx_barrier(cr);
2226         }
2227 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
2228
2229         if ((env = getenv("GMX_NB_MIN_CI")) != nullptr)
2230         {
2231             char *end;
2232
2233             nbv->min_ci_balanced = strtol(env, &end, 10);
2234             if (!end || (*end != 0) || nbv->min_ci_balanced < 0)
2235             {
2236                 gmx_fatal(FARGS, "Invalid value passed in GMX_NB_MIN_CI=%s, non-negative integer required", env);
2237             }
2238
2239             if (debug)
2240             {
2241                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (passed as env. var.)\n",
2242                         nbv->min_ci_balanced);
2243             }
2244         }
2245         else
2246         {
2247             nbv->min_ci_balanced = nbnxn_gpu_min_ci_balanced(nbv->gpu_nbv);
2248             if (debug)
2249             {
2250                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (auto-adjusted to the number of GPU multi-processors)\n",
2251                         nbv->min_ci_balanced);
2252             }
2253         }
2254
2255     }
2256
2257     *nb_verlet = nbv;
2258 }
2259
2260 gmx_bool usingGpu(nonbonded_verlet_t *nbv)
2261 {
2262     return nbv != nullptr && nbv->bUseGPU;
2263 }
2264
2265 void init_forcerec(FILE                *fp,
2266                    const gmx::MDLogger &mdlog,
2267                    t_forcerec          *fr,
2268                    t_fcdata            *fcd,
2269                    const t_inputrec    *ir,
2270                    const gmx_mtop_t    *mtop,
2271                    const t_commrec     *cr,
2272                    matrix               box,
2273                    const char          *tabfn,
2274                    const char          *tabpfn,
2275                    const t_filenm      *tabbfnm,
2276                    const char          *nbpu_opt,
2277                    gmx_bool             bNoSolvOpt,
2278                    real                 print_force)
2279 {
2280     int            i, m, negp_pp, negptable, egi, egj;
2281     real           rtab;
2282     char          *env;
2283     double         dbl;
2284     const t_block *cgs;
2285     gmx_bool       bGenericKernelOnly;
2286     gmx_bool       needGroupSchemeTables, bSomeNormalNbListsAreInUse;
2287     gmx_bool       bFEP_NonBonded;
2288     int           *nm_ind, egp_flags;
2289
2290     if (fr->hwinfo == nullptr)
2291     {
2292         /* Detect hardware, gather information.
2293          * In mdrun, hwinfo has already been set before calling init_forcerec.
2294          * Here we ignore GPUs, as tools will not use them anyhow.
2295          */
2296         fr->hwinfo = gmx_detect_hardware(mdlog, cr, FALSE);
2297     }
2298
2299     /* By default we turn SIMD kernels on, but it might be turned off further down... */
2300     fr->use_simd_kernels = TRUE;
2301
2302     fr->bDomDec = DOMAINDECOMP(cr);
2303
2304     if (check_box(ir->ePBC, box))
2305     {
2306         gmx_fatal(FARGS, check_box(ir->ePBC, box));
2307     }
2308
2309     /* Test particle insertion ? */
2310     if (EI_TPI(ir->eI))
2311     {
2312         /* Set to the size of the molecule to be inserted (the last one) */
2313         /* Because of old style topologies, we have to use the last cg
2314          * instead of the last molecule type.
2315          */
2316         cgs       = &mtop->moltype[mtop->molblock[mtop->nmolblock-1].type].cgs;
2317         fr->n_tpi = cgs->index[cgs->nr] - cgs->index[cgs->nr-1];
2318         if (fr->n_tpi != mtop->mols.index[mtop->mols.nr] - mtop->mols.index[mtop->mols.nr-1])
2319         {
2320             gmx_fatal(FARGS, "The molecule to insert can not consist of multiple charge groups.\nMake it a single charge group.");
2321         }
2322     }
2323     else
2324     {
2325         fr->n_tpi = 0;
2326     }
2327
2328     if (ir->coulombtype == eelRF_NEC_UNSUPPORTED)
2329     {
2330         gmx_fatal(FARGS, "%s electrostatics is no longer supported",
2331                   eel_names[ir->coulombtype]);
2332     }
2333
2334     if (ir->bAdress)
2335     {
2336         gmx_fatal(FARGS, "AdResS simulations are no longer supported");
2337     }
2338     if (ir->useTwinRange)
2339     {
2340         gmx_fatal(FARGS, "Twin-range simulations are no longer supported");
2341     }
2342     /* Copy the user determined parameters */
2343     fr->userint1  = ir->userint1;
2344     fr->userint2  = ir->userint2;
2345     fr->userint3  = ir->userint3;
2346     fr->userint4  = ir->userint4;
2347     fr->userreal1 = ir->userreal1;
2348     fr->userreal2 = ir->userreal2;
2349     fr->userreal3 = ir->userreal3;
2350     fr->userreal4 = ir->userreal4;
2351
2352     /* Shell stuff */
2353     fr->fc_stepsize = ir->fc_stepsize;
2354
2355     /* Free energy */
2356     fr->efep        = ir->efep;
2357     fr->sc_alphavdw = ir->fepvals->sc_alpha;
2358     if (ir->fepvals->bScCoul)
2359     {
2360         fr->sc_alphacoul  = ir->fepvals->sc_alpha;
2361         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma_min);
2362     }
2363     else
2364     {
2365         fr->sc_alphacoul  = 0;
2366         fr->sc_sigma6_min = 0; /* only needed when bScCoul is on */
2367     }
2368     fr->sc_power      = ir->fepvals->sc_power;
2369     fr->sc_r_power    = ir->fepvals->sc_r_power;
2370     fr->sc_sigma6_def = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma);
2371
2372     env = getenv("GMX_SCSIGMA_MIN");
2373     if (env != nullptr)
2374     {
2375         dbl = 0;
2376         sscanf(env, "%20lf", &dbl);
2377         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(dbl);
2378         if (fp)
2379         {
2380             fprintf(fp, "Setting the minimum soft core sigma to %g nm\n", dbl);
2381         }
2382     }
2383
2384     fr->bNonbonded = TRUE;
2385     if (getenv("GMX_NO_NONBONDED") != nullptr)
2386     {
2387         /* turn off non-bonded calculations */
2388         fr->bNonbonded = FALSE;
2389         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(
2390                 "Found environment variable GMX_NO_NONBONDED.\n"
2391                 "Disabling nonbonded calculations.");
2392     }
2393
2394     bGenericKernelOnly = FALSE;
2395
2396     /* We now check in the NS code whether a particular combination of interactions
2397      * can be used with water optimization, and disable it if that is not the case.
2398      */
2399
2400     if (getenv("GMX_NB_GENERIC") != nullptr)
2401     {
2402         if (fp != nullptr)
2403         {
2404             fprintf(fp,
2405                     "Found environment variable GMX_NB_GENERIC.\n"
2406                     "Disabling all interaction-specific nonbonded kernels, will only\n"
2407                     "use the slow generic ones in src/gmxlib/nonbonded/nb_generic.c\n\n");
2408         }
2409         bGenericKernelOnly = TRUE;
2410     }
2411
2412     if (bGenericKernelOnly == TRUE)
2413     {
2414         bNoSolvOpt         = TRUE;
2415     }
2416
2417     if ( (getenv("GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS") != nullptr) || (getenv("GMX_NOOPTIMIZEDKERNELS") != nullptr) )
2418     {
2419         fr->use_simd_kernels = FALSE;
2420         if (fp != nullptr)
2421         {
2422             fprintf(fp,
2423                     "\nFound environment variable GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS.\n"
2424                     "Disabling the usage of any SIMD-specific non-bonded & bonded kernel routines\n"
2425                     "(e.g. SSE2/SSE4.1/AVX).\n\n");
2426         }
2427     }
2428
2429     fr->bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2430
2431     /* Check if we can/should do all-vs-all kernels */
2432     fr->bAllvsAll       = can_use_allvsall(ir, FALSE, nullptr, nullptr);
2433     fr->AllvsAll_work   = nullptr;
2434     fr->AllvsAll_workgb = nullptr;
2435
2436     /* All-vs-all kernels have not been implemented in 4.6 and later.
2437      * See Redmine #1249. */
2438     if (fr->bAllvsAll)
2439     {
2440         fr->bAllvsAll            = FALSE;
2441         if (fp != nullptr)
2442         {
2443             fprintf(fp,
2444                     "\nYour simulation settings would have triggered the efficient all-vs-all\n"
2445                     "kernels in GROMACS 4.5, but these have not been implemented in GROMACS\n"
2446                     "4.6 and 5.x. If performance is important, please use GROMACS 4.5.7\n"
2447                     "or try cutoff-scheme = Verlet.\n\n");
2448         }
2449     }
2450
2451     /* Neighbour searching stuff */
2452     fr->cutoff_scheme = ir->cutoff_scheme;
2453     fr->bGrid         = (ir->ns_type == ensGRID);
2454     fr->ePBC          = ir->ePBC;
2455
2456     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2457     {
2458         const char *note = "NOTE: This file uses the deprecated 'group' cutoff_scheme. This will be\n"
2459             "removed in a future release when 'verlet' supports all interaction forms.\n";
2460
2461         if (MASTER(cr))
2462         {
2463             fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
2464         }
2465         if (fp != nullptr)
2466         {
2467             fprintf(fp, "\n%s\n", note);
2468         }
2469     }
2470
2471     /* Determine if we will do PBC for distances in bonded interactions */
2472     if (fr->ePBC == epbcNONE)
2473     {
2474         fr->bMolPBC = FALSE;
2475     }
2476     else
2477     {
2478         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2479         {
2480             gmx_bool bSHAKE;
2481
2482             bSHAKE = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
2483                       (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) > 0 ||
2484                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC) > 0));
2485
2486             /* The group cut-off scheme and SHAKE assume charge groups
2487              * are whole, but not using molpbc is faster in most cases.
2488              * With intermolecular interactions we need PBC for calculating
2489              * distances between atoms in different molecules.
2490              */
2491             if ((fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP || bSHAKE) &&
2492                 !mtop->bIntermolecularInteractions)
2493             {
2494                 fr->bMolPBC = ir->bPeriodicMols;
2495
2496                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2497                 {
2498                     gmx_fatal(FARGS, "SHAKE is not supported with periodic molecules");
2499                 }
2500             }
2501             else
2502             {
2503                 fr->bMolPBC = TRUE;
2504
2505                 if (getenv("GMX_USE_GRAPH") != nullptr)
2506                 {
2507                     fr->bMolPBC = FALSE;
2508                     if (fp)
2509                     {
2510                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("GMX_USE_GRAPH is set, using the graph for bonded interactions");
2511                     }
2512
2513                     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2514                     {
2515                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("WARNING: Molecules linked by intermolecular interactions have to reside in the same periodic image, otherwise artifacts will occur!");
2516                     }
2517                 }
2518
2519                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2520                 {
2521                     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");
2522                 }
2523             }
2524         }
2525         else
2526         {
2527             fr->bMolPBC = dd_bonded_molpbc(cr->dd, fr->ePBC);
2528         }
2529     }
2530     fr->bGB = (ir->implicit_solvent == eisGBSA);
2531
2532     fr->rc_scaling = ir->refcoord_scaling;
2533     copy_rvec(ir->posres_com, fr->posres_com);
2534     copy_rvec(ir->posres_comB, fr->posres_comB);
2535     fr->rlist                    = cutoff_inf(ir->rlist);
2536     fr->eeltype                  = ir->coulombtype;
2537     fr->vdwtype                  = ir->vdwtype;
2538     fr->ljpme_combination_rule   = ir->ljpme_combination_rule;
2539
2540     fr->coulomb_modifier = ir->coulomb_modifier;
2541     fr->vdw_modifier     = ir->vdw_modifier;
2542
2543     /* Electrostatics: Translate from interaction-setting-in-mdp-file to kernel interaction format */
2544     switch (fr->eeltype)
2545     {
2546         case eelCUT:
2547             fr->nbkernel_elec_interaction = (fr->bGB) ? GMX_NBKERNEL_ELEC_GENERALIZEDBORN : GMX_NBKERNEL_ELEC_COULOMB;
2548             break;
2549
2550         case eelRF:
2551         case eelGRF:
2552             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2553             break;
2554
2555         case eelRF_ZERO:
2556             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2557             fr->coulomb_modifier          = eintmodEXACTCUTOFF;
2558             break;
2559
2560         case eelSWITCH:
2561         case eelSHIFT:
2562         case eelUSER:
2563         case eelENCADSHIFT:
2564         case eelPMESWITCH:
2565         case eelPMEUSER:
2566         case eelPMEUSERSWITCH:
2567             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2568             break;
2569
2570         case eelPME:
2571         case eelP3M_AD:
2572         case eelEWALD:
2573             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_EWALD;
2574             break;
2575
2576         default:
2577             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported electrostatic interaction: %s", eel_names[fr->eeltype]);
2578             break;
2579     }
2580
2581     /* Vdw: Translate from mdp settings to kernel format */
2582     switch (fr->vdwtype)
2583     {
2584         case evdwCUT:
2585             if (fr->bBHAM)
2586             {
2587                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_BUCKINGHAM;
2588             }
2589             else
2590             {
2591                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LENNARDJONES;
2592             }
2593             break;
2594         case evdwPME:
2595             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LJEWALD;
2596             break;
2597
2598         case evdwSWITCH:
2599         case evdwSHIFT:
2600         case evdwUSER:
2601         case evdwENCADSHIFT:
2602             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2603             break;
2604
2605         default:
2606             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported vdw interaction: %s", evdw_names[fr->vdwtype]);
2607             break;
2608     }
2609
2610     /* These start out identical to ir, but might be altered if we e.g. tabulate the interaction in the kernel */
2611     fr->nbkernel_elec_modifier    = fr->coulomb_modifier;
2612     fr->nbkernel_vdw_modifier     = fr->vdw_modifier;
2613
2614     fr->rvdw             = cutoff_inf(ir->rvdw);
2615     fr->rvdw_switch      = ir->rvdw_switch;
2616     fr->rcoulomb         = cutoff_inf(ir->rcoulomb);
2617     fr->rcoulomb_switch  = ir->rcoulomb_switch;
2618
2619     fr->bEwald     = EEL_PME_EWALD(fr->eeltype);
2620
2621     fr->reppow     = mtop->ffparams.reppow;
2622
2623     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2624     {
2625         fr->bvdwtab    = ((fr->vdwtype != evdwCUT || !gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2626                           && !EVDW_PME(fr->vdwtype));
2627         /* We have special kernels for standard Ewald and PME, but the pme-switch ones are tabulated above */
2628         fr->bcoultab   = !(fr->eeltype == eelCUT ||
2629                            fr->eeltype == eelEWALD ||
2630                            fr->eeltype == eelPME ||
2631                            fr->eeltype == eelRF ||
2632                            fr->eeltype == eelRF_ZERO);
2633
2634         /* If the user absolutely wants different switch/shift settings for coul/vdw, it is likely
2635          * going to be faster to tabulate the interaction than calling the generic kernel.
2636          * However, if generic kernels have been requested we keep things analytically.
2637          */
2638         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2639             fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2640             bGenericKernelOnly == FALSE)
2641         {
2642             if ((fr->rcoulomb_switch != fr->rvdw_switch) || (fr->rcoulomb != fr->rvdw))
2643             {
2644                 fr->bcoultab = TRUE;
2645                 /* Once we tabulate electrostatics, we can use the switch function for LJ,
2646                  * which would otherwise need two tables.
2647                  */
2648             }
2649         }
2650         else if ((fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSHIFT && fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) ||
2651                  ((fr->nbkernel_elec_interaction == GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD &&
2652                    fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodEXACTCUTOFF &&
2653                    (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT))))
2654         {
2655             if ((fr->rcoulomb != fr->rvdw) && (bGenericKernelOnly == FALSE))
2656             {
2657                 fr->bcoultab = TRUE;
2658             }
2659         }
2660
2661         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2662         {
2663             fr->bcoultab = TRUE;
2664         }
2665         if (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2666         {
2667             fr->bvdwtab = TRUE;
2668         }
2669
2670         if (getenv("GMX_REQUIRE_TABLES"))
2671         {
2672             fr->bvdwtab  = TRUE;
2673             fr->bcoultab = TRUE;
2674         }
2675
2676         if (fp)
2677         {
2678             fprintf(fp, "Table routines are used for coulomb: %s\n",
2679                     gmx::boolToString(fr->bcoultab));
2680             fprintf(fp, "Table routines are used for vdw:     %s\n",
2681                     gmx::boolToString(fr->bvdwtab));
2682         }
2683
2684         if (fr->bvdwtab == TRUE)
2685         {
2686             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2687             fr->nbkernel_vdw_modifier    = eintmodNONE;
2688         }
2689         if (fr->bcoultab == TRUE)
2690         {
2691             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2692             fr->nbkernel_elec_modifier    = eintmodNONE;
2693         }
2694     }
2695
2696     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2697     {
2698         if (!gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2699         {
2700             gmx_fatal(FARGS, "Cut-off scheme %S only supports LJ repulsion power 12", ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2701         }
2702         fr->bvdwtab  = FALSE;
2703         fr->bcoultab = FALSE;
2704     }
2705
2706     /* This now calculates sum for q and C6 */
2707     set_chargesum(fp, fr, mtop);
2708
2709     /* Tables are used for direct ewald sum */
2710     if (fr->bEwald)
2711     {
2712         if (EEL_PME(ir->coulombtype))
2713         {
2714             if (fp)
2715             {
2716                 fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for electrostatic interactions.\n");
2717             }
2718             if (ir->coulombtype == eelP3M_AD)
2719             {
2720                 please_cite(fp, "Hockney1988");
2721                 please_cite(fp, "Ballenegger2012");
2722             }
2723             else
2724             {
2725                 please_cite(fp, "Essmann95a");
2726             }
2727
2728             if (ir->ewald_geometry == eewg3DC)
2729             {
2730                 bool haveNetCharge = (fabs(fr->qsum[0]) > 1e-4 ||
2731                                       fabs(fr->qsum[1]) > 1e-4);
2732                 if (fp)
2733                 {
2734                     fprintf(fp, "Using the Ewald3DC correction for systems with a slab geometry%s.\n",
2735                             haveNetCharge ? " and net charge" : "");
2736                 }
2737                 please_cite(fp, "In-Chul99a");
2738                 if (haveNetCharge)
2739                 {
2740                     please_cite(fp, "Ballenegger2009");
2741                 }
2742             }
2743         }
2744         fr->ewaldcoeff_q = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
2745         init_ewald_tab(&(fr->ewald_table), ir, fp);
2746         if (fp)
2747         {
2748             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for Ewald\n",
2749                     1/fr->ewaldcoeff_q);
2750         }
2751     }
2752
2753     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
2754     {
2755         if (fp)
2756         {
2757             fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for LJ dispersion interactions.\n");
2758         }
2759         please_cite(fp, "Essmann95a");
2760         fr->ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
2761         if (fp)
2762         {
2763             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for LJ Ewald\n",
2764                     1/fr->ewaldcoeff_lj);
2765         }
2766     }
2767
2768     /* Electrostatics */
2769     fr->epsilon_r       = ir->epsilon_r;
2770     fr->epsilon_rf      = ir->epsilon_rf;
2771     fr->fudgeQQ         = mtop->ffparams.fudgeQQ;
2772
2773     /* Parameters for generalized RF */
2774     fr->zsquare = 0.0;
2775     fr->temp    = 0.0;
2776
2777     if (fr->eeltype == eelGRF)
2778     {
2779         init_generalized_rf(fp, mtop, ir, fr);
2780     }
2781
2782     fr->bF_NoVirSum = (EEL_FULL(fr->eeltype) || EVDW_PME(fr->vdwtype) ||
2783                        fr->forceProviders->hasForcesWithoutVirialContribution() ||
2784                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_POSRES) > 0 ||
2785                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_FBPOSRES) > 0);
2786
2787     if (fr->bF_NoVirSum)
2788     {
2789         fr->forceBufferNoVirialSummation = new PaddedRVecVector;
2790     }
2791
2792     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2793         ncg_mtop(mtop) > fr->cg_nalloc && !DOMAINDECOMP(cr))
2794     {
2795         /* Count the total number of charge groups */
2796         fr->cg_nalloc = ncg_mtop(mtop);
2797         srenew(fr->cg_cm, fr->cg_nalloc);
2798     }
2799     if (fr->shift_vec == nullptr)
2800     {
2801         snew(fr->shift_vec, SHIFTS);
2802     }
2803
2804     if (fr->fshift == nullptr)
2805     {
2806         snew(fr->fshift, SHIFTS);
2807     }
2808
2809     if (fr->nbfp == nullptr)
2810     {
2811         fr->ntype = mtop->ffparams.atnr;
2812         fr->nbfp  = mk_nbfp(&mtop->ffparams, fr->bBHAM);
2813         if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
2814         {
2815             fr->ljpme_c6grid  = make_ljpme_c6grid(&mtop->ffparams, fr);
2816         }
2817     }
2818
2819     /* Copy the energy group exclusions */
2820     fr->egp_flags = ir->opts.egp_flags;
2821
2822     /* Van der Waals stuff */
2823     if ((fr->vdwtype != evdwCUT) && (fr->vdwtype != evdwUSER) && !fr->bBHAM)
2824     {
2825         if (fr->rvdw_switch >= fr->rvdw)
2826         {
2827             gmx_fatal(FARGS, "rvdw_switch (%f) must be < rvdw (%f)",
2828                       fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2829         }
2830         if (fp)
2831         {
2832             fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones, switch between %g and %g nm\n",
2833                     (fr->eeltype == eelSWITCH) ? "switched" : "shifted",
2834                     fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2835         }
2836     }
2837
2838     if (fr->bBHAM && EVDW_PME(fr->vdwtype))
2839     {
2840         gmx_fatal(FARGS, "LJ PME not supported with Buckingham");
2841     }
2842
2843     if (fr->bBHAM && (fr->vdwtype == evdwSHIFT || fr->vdwtype == evdwSWITCH))
2844     {
2845         gmx_fatal(FARGS, "Switch/shift interaction not supported with Buckingham");
2846     }
2847
2848     if (fr->bBHAM && fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2849     {
2850         gmx_fatal(FARGS, "Verlet cutoff-scheme is not supported with Buckingham");
2851     }
2852
2853     if (fp)
2854     {
2855         fprintf(fp, "Cut-off's:   NS: %g   Coulomb: %g   %s: %g\n",
2856                 fr->rlist, fr->rcoulomb, fr->bBHAM ? "BHAM" : "LJ", fr->rvdw);
2857     }
2858
2859     fr->eDispCorr = ir->eDispCorr;
2860     fr->numAtomsForDispersionCorrection = mtop->natoms;
2861     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
2862     {
2863         set_avcsixtwelve(fp, fr, mtop);
2864     }
2865
2866     if (fr->bBHAM)
2867     {
2868         set_bham_b_max(fp, fr, mtop);
2869     }
2870
2871     fr->gb_epsilon_solvent = ir->gb_epsilon_solvent;
2872
2873     /* Copy the GBSA data (radius, volume and surftens for each
2874      * atomtype) from the topology atomtype section to forcerec.
2875      */
2876     snew(fr->atype_radius, fr->ntype);
2877     snew(fr->atype_vol, fr->ntype);
2878     snew(fr->atype_surftens, fr->ntype);
2879     snew(fr->atype_gb_radius, fr->ntype);
2880     snew(fr->atype_S_hct, fr->ntype);
2881
2882     if (mtop->atomtypes.nr > 0)
2883     {
2884         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2885         {
2886             fr->atype_radius[i] = mtop->atomtypes.radius[i];
2887         }
2888         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2889         {
2890             fr->atype_vol[i] = mtop->atomtypes.vol[i];
2891         }
2892         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2893         {
2894             fr->atype_surftens[i] = mtop->atomtypes.surftens[i];
2895         }
2896         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2897         {
2898             fr->atype_gb_radius[i] = mtop->atomtypes.gb_radius[i];
2899         }
2900         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2901         {
2902             fr->atype_S_hct[i] = mtop->atomtypes.S_hct[i];
2903         }
2904     }
2905
2906     /* Generate the GB table if needed */
2907     if (fr->bGB)
2908     {
2909 #if GMX_DOUBLE
2910         fr->gbtabscale = 2000;
2911 #else
2912         fr->gbtabscale = 500;
2913 #endif
2914
2915         fr->gbtabr = 100;
2916         fr->gbtab  = make_gb_table(fr);
2917
2918         init_gb(&fr->born, fr, ir, mtop, ir->gb_algorithm);
2919
2920         /* Copy local gb data (for dd, this is done in dd_partition_system) */
2921         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2922         {
2923             make_local_gb(cr, fr->born, ir->gb_algorithm);
2924         }
2925     }
2926
2927     /* Set the charge scaling */
2928     if (fr->epsilon_r != 0)
2929     {
2930         fr->epsfac = ONE_4PI_EPS0/fr->epsilon_r;
2931     }
2932     else
2933     {
2934         /* eps = 0 is infinite dieletric: no coulomb interactions */
2935         fr->epsfac = 0;
2936     }
2937
2938     /* Reaction field constants */
2939     if (EEL_RF(fr->eeltype))
2940     {
2941         calc_rffac(fp, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
2942                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
2943                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->c_rf);
2944     }
2945
2946     /* Construct tables for the group scheme. A little unnecessary to
2947      * make both vdw and coul tables sometimes, but what the
2948      * heck. Note that both cutoff schemes construct Ewald tables in
2949      * init_interaction_const_tables. */
2950     needGroupSchemeTables = (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2951                              (fr->bcoultab || fr->bvdwtab));
2952
2953     negp_pp   = ir->opts.ngener - ir->nwall;
2954     negptable = 0;
2955     if (!needGroupSchemeTables)
2956     {
2957         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2958         fr->nnblists               = 1;
2959     }
2960     else
2961     {
2962         bSomeNormalNbListsAreInUse = FALSE;
2963         for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
2964         {
2965             for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
2966             {
2967                 egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
2968                 if (!(egp_flags & EGP_EXCL))
2969                 {
2970                     if (egp_flags & EGP_TABLE)
2971                     {
2972                         negptable++;
2973                     }
2974                     else
2975                     {
2976                         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2977                     }
2978                 }
2979             }
2980         }
2981         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
2982         {
2983             fr->nnblists = negptable + 1;
2984         }
2985         else
2986         {
2987             fr->nnblists = negptable;
2988         }
2989         if (fr->nnblists > 1)
2990         {
2991             snew(fr->gid2nblists, ir->opts.ngener*ir->opts.ngener);
2992         }
2993     }
2994
2995     snew(fr->nblists, fr->nnblists);
2996
2997     /* This code automatically gives table length tabext without cut-off's,
2998      * in that case grompp should already have checked that we do not need
2999      * normal tables and we only generate tables for 1-4 interactions.
3000      */
3001     rtab = ir->rlist + ir->tabext;
3002
3003     if (needGroupSchemeTables)
3004     {
3005         /* make tables for ordinary interactions */
3006         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
3007         {
3008             make_nbf_tables(fp, fr, rtab, tabfn, nullptr, nullptr, &fr->nblists[0]);
3009             m = 1;
3010         }
3011         else
3012         {
3013             m = 0;
3014         }
3015         if (negptable > 0)
3016         {
3017             /* Read the special tables for certain energy group pairs */
3018             nm_ind = mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind;
3019             for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
3020             {
3021                 for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
3022                 {
3023                     egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
3024                     if ((egp_flags & EGP_TABLE) && !(egp_flags & EGP_EXCL))
3025                     {
3026                         if (fr->nnblists > 1)
3027                         {
3028                             fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = m;
3029                         }
3030                         /* Read the table file with the two energy groups names appended */
3031                         make_nbf_tables(fp, fr, rtab, tabfn,
3032                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
3033                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
3034                                         &fr->nblists[m]);
3035                         m++;
3036                     }
3037                     else if (fr->nnblists > 1)
3038                     {
3039                         fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = 0;
3040                     }
3041                 }
3042             }
3043         }
3044     }
3045
3046     /* Tables might not be used for the potential modifier
3047      * interactions per se, but we still need them to evaluate
3048      * switch/shift dispersion corrections in this case. */
3049     if (fr->eDispCorr != edispcNO)
3050     {
3051         fr->dispersionCorrectionTable = makeDispersionCorrectionTable(fp, fr, rtab, tabfn);
3052     }
3053
3054     /* We want to use unmodified tables for 1-4 coulombic
3055      * interactions, so we must in general have an extra set of
3056      * tables. */
3057     if (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJ14) > 0 ||
3058         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC14_Q) > 0 ||
3059         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC_PAIRS_NB) > 0)
3060     {
3061         fr->pairsTable = make_tables(fp, fr, tabpfn, rtab,
3062                                      GMX_MAKETABLES_14ONLY);
3063     }
3064
3065     /* Wall stuff */
3066     fr->nwall = ir->nwall;
3067     if (ir->nwall && ir->wall_type == ewtTABLE)
3068     {
3069         make_wall_tables(fp, ir, tabfn, &mtop->groups, fr);
3070     }
3071
3072     if (fcd && tabbfnm)
3073     {
3074         // Need to catch std::bad_alloc
3075         // TODO Don't need to catch this here, when merging with master branch
3076         try
3077         {
3078             fcd->bondtab  = make_bonded_tables(fp,
3079                                                F_TABBONDS, F_TABBONDSNC,
3080                                                mtop, tabbfnm, "b");
3081             fcd->angletab = make_bonded_tables(fp,
3082                                                F_TABANGLES, -1,
3083                                                mtop, tabbfnm, "a");
3084             fcd->dihtab   = make_bonded_tables(fp,
3085                                                F_TABDIHS, -1,
3086                                                mtop, tabbfnm, "d");
3087         }
3088         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
3089     }
3090     else
3091     {
3092         if (debug)
3093         {
3094             fprintf(debug, "No fcdata or table file name passed, can not read table, can not do bonded interactions\n");
3095         }
3096     }
3097
3098     /* QM/MM initialization if requested
3099      */
3100     if (ir->bQMMM)
3101     {
3102         fprintf(stderr, "QM/MM calculation requested.\n");
3103     }
3104
3105     fr->bQMMM      = ir->bQMMM;
3106     fr->qr         = mk_QMMMrec();
3107
3108     /* Set all the static charge group info */
3109     fr->cginfo_mb = init_cginfo_mb(fp, mtop, fr, bNoSolvOpt,
3110                                    &bFEP_NonBonded,
3111                                    &fr->bExcl_IntraCGAll_InterCGNone);
3112     if (DOMAINDECOMP(cr))
3113     {
3114         fr->cginfo = nullptr;
3115     }
3116     else
3117     {
3118         fr->cginfo = cginfo_expand(mtop->nmolblock, fr->cginfo_mb);
3119     }
3120
3121     if (!DOMAINDECOMP(cr))
3122     {
3123         forcerec_set_ranges(fr, ncg_mtop(mtop), ncg_mtop(mtop),
3124                             mtop->natoms, mtop->natoms, mtop->natoms);
3125     }
3126
3127     fr->print_force = print_force;
3128
3129
3130     /* coarse load balancing vars */
3131     fr->t_fnbf    = 0.;
3132     fr->t_wait    = 0.;
3133     fr->timesteps = 0;
3134
3135     /* Initialize neighbor search */
3136     snew(fr->ns, 1);
3137     init_ns(fp, cr, fr->ns, fr, mtop);
3138
3139     if (cr->duty & DUTY_PP)
3140     {
3141         gmx_nonbonded_setup(fr, bGenericKernelOnly);
3142     }
3143
3144     /* Initialize the thread working data for bonded interactions */
3145     init_bonded_threading(fp, mtop->groups.grps[egcENER].nr,
3146                           &fr->bonded_threading);
3147
3148     fr->nthread_ewc = gmx_omp_nthreads_get(emntBonded);
3149     snew(fr->ewc_t, fr->nthread_ewc);
3150
3151     /* fr->ic is used both by verlet and group kernels (to some extent) now */
3152     init_interaction_const(fp, &fr->ic, fr);
3153     init_interaction_const_tables(fp, fr->ic, rtab);
3154
3155     if (fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
3156     {
3157         // We checked the cut-offs in grompp, but double-check here.
3158         // We have PME+LJcutoff kernels for rcoulomb>rvdw.
3159         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) && ir->vdwtype == eelCUT)
3160         {
3161             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb >= ir->rvdw, "With Verlet lists and PME we should have rcoulomb>=rvdw");
3162         }
3163         else
3164         {
3165             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb == ir->rvdw, "With Verlet lists and no PME rcoulomb and rvdw should be identical");
3166         }
3167
3168         init_nb_verlet(fp, mdlog, &fr->nbv, bFEP_NonBonded, ir, fr, cr, nbpu_opt);
3169     }
3170
3171     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
3172     {
3173         calc_enervirdiff(fp, ir->eDispCorr, fr);
3174     }
3175 }
3176
3177 #define pr_real(fp, r) fprintf(fp, "%s: %e\n",#r, r)
3178 #define pr_int(fp, i)  fprintf((fp), "%s: %d\n",#i, i)
3179 #define pr_bool(fp, b) fprintf((fp), "%s: %s\n",#b, gmx::boolToString(b))
3180
3181 void pr_forcerec(FILE *fp, t_forcerec *fr)
3182 {
3183     int i;
3184
3185     pr_real(fp, fr->rlist);
3186     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3187     pr_real(fp, fr->fudgeQQ);
3188     pr_bool(fp, fr->bGrid);
3189     /*pr_int(fp,fr->cg0);
3190        pr_int(fp,fr->hcg);*/
3191     for (i = 0; i < fr->nnblists; i++)
3192     {
3193         pr_int(fp, fr->nblists[i].table_elec_vdw->n);
3194     }
3195     pr_real(fp, fr->rcoulomb_switch);
3196     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3197
3198     fflush(fp);
3199 }
3200
3201 /* Frees GPU memory and destroys the GPU context.
3202  *
3203  * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
3204  * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
3205  * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
3206  */
3207 void free_gpu_resources(const t_forcerec     *fr,
3208                         const t_commrec      *cr,
3209                         const gmx_gpu_info_t *gpu_info,
3210                         const gmx_gpu_opt_t  *gpu_opt)
3211 {
3212     gmx_bool bIsPPrankUsingGPU;
3213     char     gpu_err_str[STRLEN];
3214
3215     bIsPPrankUsingGPU = (cr->duty & DUTY_PP) && fr && fr->nbv && fr->nbv->bUseGPU;
3216
3217     if (bIsPPrankUsingGPU)
3218     {
3219         /* free nbnxn data in GPU memory */
3220         nbnxn_gpu_free(fr->nbv->gpu_nbv);
3221         /* stop the GPU profiler (only CUDA) */
3222         stopGpuProfiler();
3223     }
3224
3225     /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
3226      * destroying the CUDA context in free_gpu() as some tMPI ranks may be sharing
3227      * GPU and context.
3228      *
3229      * This is not a concern in OpenCL where we use one context per rank which
3230      * is freed in nbnxn_gpu_free().
3231      *
3232      * Note: it is safe to not call the barrier on the ranks which do not use GPU,
3233      * but it is easier and more futureproof to call it on the whole node.
3234      */
3235 #if GMX_THREAD_MPI
3236     if (PAR(cr) || MULTISIM(cr))
3237     {
3238         gmx_barrier_physical_node(cr);
3239     }
3240 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
3241
3242     if (bIsPPrankUsingGPU)
3243     {
3244         /* uninitialize GPU (by destroying the context) */
3245         if (!free_cuda_gpu(cr->rank_pp_intranode, gpu_err_str, gpu_info, gpu_opt))
3246         {
3247             gmx_warning("On rank %d failed to free GPU #%d: %s",
3248                         cr->nodeid, get_current_cuda_gpu_device_id(), gpu_err_str);
3249         }
3250     }
3251 }