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 #include "nbnxn_tuning.h"
 103
 104 const char *egrp_nm[egNR+1] = {
 105     "Coul-SR", "LJ-SR", "Buck-SR",
 106     "Coul-14", "LJ-14", nullptr
 107 };
 108
 109 t_forcerec *mk_forcerec(void)
 110 {
 111     t_forcerec *fr;
 112
 113     snew(fr, 1);
 114
 115     return fr;
 116 }
 117
 118 #ifdef DEBUG
 119 static void pr_nbfp(FILE *fp, real *nbfp, gmx_bool bBHAM, int atnr)
 120 {
 121     int i, j;
 122
 123     for (i = 0; (i < atnr); i++)
 124     {
 125         for (j = 0; (j < atnr); j++)
 126         {
 127             fprintf(fp, "%2d - %2d", i, j);
 128             if (bBHAM)
 129             {
 130                 fprintf(fp, "  a=%10g, b=%10g, c=%10g\n", BHAMA(nbfp, atnr, i, j),
 131                         BHAMB(nbfp, atnr, i, j), BHAMC(nbfp, atnr, i, j)/6.0);
 132             }
 133             else
 134             {
 135                 fprintf(fp, "  c6=%10g, c12=%10g\n", C6(nbfp, atnr, i, j)/6.0,
 136                         C12(nbfp, atnr, i, j)/12.0);
 137             }
 138         }
 139     }
 140 }
 141 #endif
 142
 143 static real *mk_nbfp(const gmx_ffparams_t *idef, gmx_bool bBHAM)
 144 {
 145     real *nbfp;
 146     int   i, j, k, atnr;
 147
 148     atnr = idef->atnr;
 149     if (bBHAM)
 150     {
 151         snew(nbfp, 3*atnr*atnr);
 152         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 153         {
 154             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 155             {
 156                 BHAMA(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.a;
 157                 BHAMB(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.b;
 158                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
 159                 BHAMC(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.c*6.0;
 160             }
 161         }
 162     }
 163     else
 164     {
 165         snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 166         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 167         {
 168             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 169             {
 170                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
 171                 C6(nbfp, atnr, i, j)   = idef->iparams[k].lj.c6*6.0;
 172                 C12(nbfp, atnr, i, j)  = idef->iparams[k].lj.c12*12.0;
 173             }
 174         }
 175     }
 176
 177     return nbfp;
 178 }
 179
 180 static real *make_ljpme_c6grid(const gmx_ffparams_t *idef, t_forcerec *fr)
 181 {
 182     int        i, j, k, atnr;
 183     real       c6, c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 184     real      *grid;
 185
 186     /* For LJ-PME simulations, we correct the energies with the reciprocal space
 187      * inside of the cut-off. To do this the non-bonded kernels needs to have
 188      * access to the C6-values used on the reciprocal grid in pme.c
 189      */
 190
 191     atnr = idef->atnr;
 192     snew(grid, 2*atnr*atnr);
 193     for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 194     {
 195         for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 196         {
 197             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 198             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 199             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 200             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 201             c6   = std::sqrt(c6i * c6j);
 202             if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB
 203                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12i) && !gmx_numzero(c12j))
 204             {
 205                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 206                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 207                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 208                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 209                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 210             }
 211             /* Store the elements at the same relative positions as C6 in nbfp in order
 212              * to simplify access in the kernels
 213              */
 214             grid[2*(atnr*i+j)] = c6*6.0;
 215         }
 216     }
 217     return grid;
 218 }
 219
 220 static real *mk_nbfp_combination_rule(const gmx_ffparams_t *idef, int comb_rule)
 221 {
 222     real      *nbfp;
 223     int        i, j, atnr;
 224     real       c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 225     real       c6, c12;
 226
 227     atnr = idef->atnr;
 228     snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 229     for (i = 0; i < atnr; ++i)
 230     {
 231         for (j = 0; j < atnr; ++j)
 232         {
 233             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 234             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 235             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 236             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 237             c6   = std::sqrt(c6i  * c6j);
 238             c12  = std::sqrt(c12i * c12j);
 239             if (comb_rule == eCOMB_ARITHMETIC
 240                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12))
 241             {
 242                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 243                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 244                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 245                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 246                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 247                 c12    = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power12(0.5*(sigmai+sigmaj));
 248             }
 249             C6(nbfp, atnr, i, j)   = c6*6.0;
 250             C12(nbfp, atnr, i, j)  = c12*12.0;
 251         }
 252     }
 253     return nbfp;
 254 }
 255
 256 /* This routine sets fr->solvent_opt to the most common solvent in the
 257  * system, e.g. esolSPC or esolTIP4P. It will also mark each charge group in
 258  * the fr->solvent_type array with the correct type (or esolNO).
 259  *
 260  * Charge groups that fulfill the conditions but are not identical to the
 261  * most common one will be marked as esolNO in the solvent_type array.
 262  *
 263  * TIP3p is identical to SPC for these purposes, so we call it
 264  * SPC in the arrays (Apologies to Bill Jorgensen ;-)
 265  *
 266  * NOTE: QM particle should not
 267  * become an optimized solvent. Not even if there is only one charge
 268  * group in the Qm
 269  */
 270
 271 typedef struct
 272 {
 273     int    model;
 274     int    count;
 275     int    vdwtype[4];
 276     real   charge[4];
 277 } solvent_parameters_t;
 278
 279 static void
 280 check_solvent_cg(const gmx_moltype_t    *molt,
 281                  int                     cg0,
 282                  int                     nmol,
 283                  const unsigned char    *qm_grpnr,
 284                  const t_grps           *qm_grps,
 285                  t_forcerec   *          fr,
 286                  int                    *n_solvent_parameters,
 287                  solvent_parameters_t  **solvent_parameters_p,
 288                  int                     cginfo,
 289                  int                    *cg_sp)
 290 {
 291     t_atom               *atom;
 292     int                   j, k;
 293     int                   j0, j1, nj;
 294     gmx_bool              perturbed;
 295     gmx_bool              has_vdw[4];
 296     gmx_bool              match;
 297     real                  tmp_charge[4]  = { 0.0 }; /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 298     int                   tmp_vdwtype[4] = { 0 };   /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 299     int                   tjA;
 300     gmx_bool              qm;
 301     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 302
 303     /* We use a list with parameters for each solvent type.
 304      * Every time we discover a new molecule that fulfills the basic
 305      * conditions for a solvent we compare with the previous entries
 306      * in these lists. If the parameters are the same we just increment
 307      * the counter for that type, and otherwise we create a new type
 308      * based on the current molecule.
 309      *
 310      * Once we've finished going through all molecules we check which
 311      * solvent is most common, and mark all those molecules while we
 312      * clear the flag on all others.
 313      */
 314
 315     solvent_parameters = *solvent_parameters_p;
 316
 317     /* Mark the cg first as non optimized */
 318     *cg_sp = -1;
 319
 320     /* Check if this cg has no exclusions with atoms in other charge groups
 321      * and all atoms inside the charge group excluded.
 322      * We only have 3 or 4 atom solvent loops.
 323      */
 324     if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo) ||
 325         !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo))
 326     {
 327         return;
 328     }
 329
 330     /* Get the indices of the first atom in this charge group */
 331     j0     = molt->cgs.index[cg0];
 332     j1     = molt->cgs.index[cg0+1];
 333
 334     /* Number of atoms in our molecule */
 335     nj     = j1 - j0;
 336
 337     if (debug)
 338     {
 339         fprintf(debug,
 340                 "Moltype '%s': there are %d atoms in this charge group\n",
 341                 *molt->name, nj);
 342     }
 343
 344     /* Check if it could be an SPC (3 atoms) or TIP4p (4) water,
 345      * otherwise skip it.
 346      */
 347     if (nj < 3 || nj > 4)
 348     {
 349         return;
 350     }
 351
 352     /* Check if we are doing QM on this group */
 353     qm = FALSE;
 354     if (qm_grpnr != nullptr)
 355     {
 356         for (j = j0; j < j1 && !qm; j++)
 357         {
 358             qm = (qm_grpnr[j] < qm_grps->nr - 1);
 359         }
 360     }
 361     /* Cannot use solvent optimization with QM */
 362     if (qm)
 363     {
 364         return;
 365     }
 366
 367     atom = molt->atoms.atom;
 368
 369     /* Still looks like a solvent, time to check parameters */
 370
 371     /* If it is perturbed (free energy) we can't use the solvent loops,
 372      * so then we just skip to the next molecule.
 373      */
 374     perturbed = FALSE;
 375
 376     for (j = j0; j < j1 && !perturbed; j++)
 377     {
 378         perturbed = PERTURBED(atom[j]);
 379     }
 380
 381     if (perturbed)
 382     {
 383         return;
 384     }
 385
 386     /* Now it's only a question if the VdW and charge parameters
 387      * are OK. Before doing the check we compare and see if they are
 388      * identical to a possible previous solvent type.
 389      * First we assign the current types and charges.
 390      */
 391     for (j = 0; j < nj; j++)
 392     {
 393         tmp_vdwtype[j] = atom[j0+j].type;
 394         tmp_charge[j]  = atom[j0+j].q;
 395     }
 396
 397     /* Does it match any previous solvent type? */
 398     for (k = 0; k < *n_solvent_parameters; k++)
 399     {
 400         match = TRUE;
 401
 402
 403         /* We can only match SPC with 3 atoms and TIP4p with 4 atoms */
 404         if ( (solvent_parameters[k].model == esolSPC   && nj != 3)  ||
 405              (solvent_parameters[k].model == esolTIP4P && nj != 4) )
 406         {
 407             match = FALSE;
 408         }
 409
 410         /* Check that types & charges match for all atoms in molecule */
 411         for (j = 0; j < nj && match == TRUE; j++)
 412         {
 413             if (tmp_vdwtype[j] != solvent_parameters[k].vdwtype[j])
 414             {
 415                 match = FALSE;
 416             }
 417             if (tmp_charge[j] != solvent_parameters[k].charge[j])
 418             {
 419                 match = FALSE;
 420             }
 421         }
 422         if (match == TRUE)
 423         {
 424             /* Congratulations! We have a matched solvent.
 425              * Flag it with this type for later processing.
 426              */
 427             *cg_sp = k;
 428             solvent_parameters[k].count += nmol;
 429
 430             /* We are done with this charge group */
 431             return;
 432         }
 433     }
 434
 435     /* If we get here, we have a tentative new solvent type.
 436      * Before we add it we must check that it fulfills the requirements
 437      * of the solvent optimized loops. First determine which atoms have
 438      * VdW interactions.
 439      */
 440     for (j = 0; j < nj; j++)
 441     {
 442         has_vdw[j] = FALSE;
 443         tjA        = tmp_vdwtype[j];
 444
 445         /* Go through all other tpes and see if any have non-zero
 446          * VdW parameters when combined with this one.
 447          */
 448         for (k = 0; k < fr->ntype && (has_vdw[j] == FALSE); k++)
 449         {
 450             /* We already checked that the atoms weren't perturbed,
 451              * so we only need to check state A now.
 452              */
 453             if (fr->bBHAM)
 454             {
 455                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 456                               (BHAMA(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 457                               (BHAMB(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 458                               (BHAMC(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 459             }
 460             else
 461             {
 462                 /* Standard LJ */
 463                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 464                               (C6(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k)  != 0.0) ||
 465                               (C12(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 466             }
 467         }
 468     }
 469
 470     /* Now we know all we need to make the final check and assignment. */
 471     if (nj == 3)
 472     {
 473         /* So, is it an SPC?
 474          * For this we require thatn all atoms have charge,
 475          * the charges on atom 2 & 3 should be the same, and only
 476          * atom 1 might have VdW.
 477          */
 478         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 479             has_vdw[2] == FALSE &&
 480             tmp_charge[0]  != 0 &&
 481             tmp_charge[1]  != 0 &&
 482             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1])
 483         {
 484             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 485             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolSPC;
 486             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 487             for (k = 0; k < 3; k++)
 488             {
 489                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 490                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 491             }
 492
 493             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 494             (*n_solvent_parameters)++;
 495         }
 496     }
 497     else if (nj == 4)
 498     {
 499         /* Or could it be a TIP4P?
 500          * For this we require thatn atoms 2,3,4 have charge, but not atom 1.
 501          * Only atom 1 mght have VdW.
 502          */
 503         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 504             has_vdw[2] == FALSE &&
 505             has_vdw[3] == FALSE &&
 506             tmp_charge[0]  == 0 &&
 507             tmp_charge[1]  != 0 &&
 508             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1] &&
 509             tmp_charge[3]  != 0)
 510         {
 511             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 512             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolTIP4P;
 513             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 514             for (k = 0; k < 4; k++)
 515             {
 516                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 517                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 518             }
 519
 520             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 521             (*n_solvent_parameters)++;
 522         }
 523     }
 524
 525     *solvent_parameters_p = solvent_parameters;
 526 }
 527
 528 static void
 529 check_solvent(FILE  *                fp,
 530               const gmx_mtop_t  *    mtop,
 531               t_forcerec  *          fr,
 532               cginfo_mb_t           *cginfo_mb)
 533 {
 534     const t_block     *   cgs;
 535     const gmx_moltype_t  *molt;
 536     int                   mb, mol, cg_mol, at_offset, am, cgm, i, nmol_ch, nmol;
 537     int                   n_solvent_parameters;
 538     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 539     int                 **cg_sp;
 540     int                   bestsp, bestsol;
 541
 542     if (debug)
 543     {
 544         fprintf(debug, "Going to determine what solvent types we have.\n");
 545     }
 546
 547     n_solvent_parameters = 0;
 548     solvent_parameters   = nullptr;
 549     /* Allocate temporary array for solvent type */
 550     snew(cg_sp, mtop->nmolblock);
 551
 552     at_offset = 0;
 553     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 554     {
 555         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 556         cgs  = &molt->cgs;
 557         /* Here we have to loop over all individual molecules
 558          * because we need to check for QMMM particles.
 559          */
 560         snew(cg_sp[mb], cginfo_mb[mb].cg_mod);
 561         nmol_ch = cginfo_mb[mb].cg_mod/cgs->nr;
 562         nmol    = mtop->molblock[mb].nmol/nmol_ch;
 563         for (mol = 0; mol < nmol_ch; mol++)
 564         {
 565             cgm = mol*cgs->nr;
 566             am  = mol*cgs->index[cgs->nr];
 567             for (cg_mol = 0; cg_mol < cgs->nr; cg_mol++)
 568             {
 569                 check_solvent_cg(molt, cg_mol, nmol,
 570                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM] ?
 571                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM]+at_offset+am : nullptr,
 572                                  &mtop->groups.grps[egcQMMM],
 573                                  fr,
 574                                  &n_solvent_parameters, &solvent_parameters,
 575                                  cginfo_mb[mb].cginfo[cgm+cg_mol],
 576                                  &cg_sp[mb][cgm+cg_mol]);
 577             }
 578         }
 579         at_offset += cgs->index[cgs->nr];
 580     }
 581
 582     /* Puh! We finished going through all charge groups.
 583      * Now find the most common solvent model.
 584      */
 585
 586     /* Most common solvent this far */
 587     bestsp = -2;
 588     for (i = 0; i < n_solvent_parameters; i++)
 589     {
 590         if (bestsp == -2 ||
 591             solvent_parameters[i].count > solvent_parameters[bestsp].count)
 592         {
 593             bestsp = i;
 594         }
 595     }
 596
 597     if (bestsp >= 0)
 598     {
 599         bestsol = solvent_parameters[bestsp].model;
 600     }
 601     else
 602     {
 603         bestsol = esolNO;
 604     }
 605
 606     fr->nWatMol = 0;
 607     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 608     {
 609         cgs  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].cgs;
 610         nmol = (mtop->molblock[mb].nmol*cgs->nr)/cginfo_mb[mb].cg_mod;
 611         for (i = 0; i < cginfo_mb[mb].cg_mod; i++)
 612         {
 613             if (cg_sp[mb][i] == bestsp)
 614             {
 615                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], bestsol);
 616                 fr->nWatMol += nmol;
 617             }
 618             else
 619             {
 620                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], esolNO);
 621             }
 622         }
 623         sfree(cg_sp[mb]);
 624     }
 625     sfree(cg_sp);
 626
 627     if (bestsol != esolNO && fp != nullptr)
 628     {
 629         fprintf(fp, "\nEnabling %s-like water optimization for %d molecules.\n\n",
 630                 esol_names[bestsol],
 631                 solvent_parameters[bestsp].count);
 632     }
 633
 634     sfree(solvent_parameters);
 635     fr->solvent_opt = bestsol;
 636 }
 637
 638 enum {
 639     acNONE = 0, acCONSTRAINT, acSETTLE
 640 };
 641
 642 static cginfo_mb_t *init_cginfo_mb(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 643                                    t_forcerec *fr, gmx_bool bNoSolvOpt,
 644                                    gmx_bool *bFEP_NonBonded,
 645                                    gmx_bool *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone)
 646 {
 647     const t_block        *cgs;
 648     const t_blocka       *excl;
 649     const gmx_moltype_t  *molt;
 650     const gmx_molblock_t *molb;
 651     cginfo_mb_t          *cginfo_mb;
 652     gmx_bool             *type_VDW;
 653     int                  *cginfo;
 654     int                   cg_offset, a_offset;
 655     int                   mb, m, cg, a0, a1, gid, ai, j, aj, excl_nalloc;
 656     int                  *a_con;
 657     int                   ftype;
 658     int                   ia;
 659     gmx_bool              bId, *bExcl, bExclIntraAll, bExclInter, bHaveVDW, bHaveQ, bHavePerturbedAtoms;
 660
 661     snew(cginfo_mb, mtop->nmolblock);
 662
 663     snew(type_VDW, fr->ntype);
 664     for (ai = 0; ai < fr->ntype; ai++)
 665     {
 666         type_VDW[ai] = FALSE;
 667         for (j = 0; j < fr->ntype; j++)
 668         {
 669             type_VDW[ai] = type_VDW[ai] ||
 670                 fr->bBHAM ||
 671                 C6(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0 ||
 672                 C12(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0;
 673         }
 674     }
 675
 676     *bFEP_NonBonded               = FALSE;
 677     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = TRUE;
 678
 679     excl_nalloc = 10;
 680     snew(bExcl, excl_nalloc);
 681     cg_offset = 0;
 682     a_offset  = 0;
 683     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 684     {
 685         molb = &mtop->molblock[mb];
 686         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 687         cgs  = &molt->cgs;
 688         excl = &molt->excls;
 689
 690         /* Check if the cginfo is identical for all molecules in this block.
 691          * If so, we only need an array of the size of one molecule.
 692          * Otherwise we make an array of #mol times #cgs per molecule.
 693          */
 694         bId = TRUE;
 695         for (m = 0; m < molb->nmol; m++)
 696         {
 697             int am = m*cgs->index[cgs->nr];
 698             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 699             {
 700                 a0 = cgs->index[cg];
 701                 a1 = cgs->index[cg+1];
 702                 if (ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0) !=
 703                     ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset   +a0))
 704                 {
 705                     bId = FALSE;
 706                 }
 707                 if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM] != nullptr)
 708                 {
 709                     for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 710                     {
 711                         if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset+am+ai] !=
 712                             mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset   +ai])
 713                         {
 714                             bId = FALSE;
 715                         }
 716                     }
 717                 }
 718             }
 719         }
 720
 721         cginfo_mb[mb].cg_start = cg_offset;
 722         cginfo_mb[mb].cg_end   = cg_offset + molb->nmol*cgs->nr;
 723         cginfo_mb[mb].cg_mod   = (bId ? 1 : molb->nmol)*cgs->nr;
 724         snew(cginfo_mb[mb].cginfo, cginfo_mb[mb].cg_mod);
 725         cginfo = cginfo_mb[mb].cginfo;
 726
 727         /* Set constraints flags for constrained atoms */
 728         snew(a_con, molt->atoms.nr);
 729         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 730         {
 731             if (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT)
 732             {
 733                 int nral;
 734
 735                 nral = NRAL(ftype);
 736                 for (ia = 0; ia < molt->ilist[ftype].nr; ia += 1+nral)
 737                 {
 738                     int a;
 739
 740                     for (a = 0; a < nral; a++)
 741                     {
 742                         a_con[molt->ilist[ftype].iatoms[ia+1+a]] =
 743                             (ftype == F_SETTLE ? acSETTLE : acCONSTRAINT);
 744                     }
 745                 }
 746             }
 747         }
 748
 749         for (m = 0; m < (bId ? 1 : molb->nmol); m++)
 750         {
 751             int cgm = m*cgs->nr;
 752             int am  = m*cgs->index[cgs->nr];
 753             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 754             {
 755                 a0 = cgs->index[cg];
 756                 a1 = cgs->index[cg+1];
 757
 758                 /* Store the energy group in cginfo */
 759                 gid = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0);
 760                 SET_CGINFO_GID(cginfo[cgm+cg], gid);
 761
 762                 /* Check the intra/inter charge group exclusions */
 763                 if (a1-a0 > excl_nalloc)
 764                 {
 765                     excl_nalloc = a1 - a0;
 766                     srenew(bExcl, excl_nalloc);
 767                 }
 768                 /* bExclIntraAll: all intra cg interactions excluded
 769                  * bExclInter:    any inter cg interactions excluded
 770                  */
 771                 bExclIntraAll       = TRUE;
 772                 bExclInter          = FALSE;
 773                 bHaveVDW            = FALSE;
 774                 bHaveQ              = FALSE;
 775                 bHavePerturbedAtoms = FALSE;
 776                 for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 777                 {
 778                     /* Check VDW and electrostatic interactions */
 779                     bHaveVDW = bHaveVDW || (type_VDW[molt->atoms.atom[ai].type] ||
 780                                             type_VDW[molt->atoms.atom[ai].typeB]);
 781                     bHaveQ  = bHaveQ    || (molt->atoms.atom[ai].q != 0 ||
 782                                             molt->atoms.atom[ai].qB != 0);
 783
 784                     bHavePerturbedAtoms = bHavePerturbedAtoms || (PERTURBED(molt->atoms.atom[ai]) != 0);
 785
 786                     /* Clear the exclusion list for atom ai */
 787                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 788                     {
 789                         bExcl[aj-a0] = FALSE;
 790                     }
 791                     /* Loop over all the exclusions of atom ai */
 792                     for (j = excl->index[ai]; j < excl->index[ai+1]; j++)
 793                     {
 794                         aj = excl->a[j];
 795                         if (aj < a0 || aj >= a1)
 796                         {
 797                             bExclInter = TRUE;
 798                         }
 799                         else
 800                         {
 801                             bExcl[aj-a0] = TRUE;
 802                         }
 803                     }
 804                     /* Check if ai excludes a0 to a1 */
 805                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 806                     {
 807                         if (!bExcl[aj-a0])
 808                         {
 809                             bExclIntraAll = FALSE;
 810                         }
 811                     }
 812
 813                     switch (a_con[ai])
 814                     {
 815                         case acCONSTRAINT:
 816                             SET_CGINFO_CONSTR(cginfo[cgm+cg]);
 817                             break;
 818                         case acSETTLE:
 819                             SET_CGINFO_SETTLE(cginfo[cgm+cg]);
 820                             break;
 821                         default:
 822                             break;
 823                     }
 824                 }
 825                 if (bExclIntraAll)
 826                 {
 827                     SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cgm+cg]);
 828                 }
 829                 if (bExclInter)
 830                 {
 831                     SET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cgm+cg]);
 832                 }
 833                 if (a1 - a0 > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 834                 {
 835                     /* The size in cginfo is currently only read with DD */
 836                     gmx_fatal(FARGS, "A charge group has size %d which is larger than the limit of %d atoms", a1-a0, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 837                 }
 838                 if (bHaveVDW)
 839                 {
 840                     SET_CGINFO_HAS_VDW(cginfo[cgm+cg]);
 841                 }
 842                 if (bHaveQ)
 843                 {
 844                     SET_CGINFO_HAS_Q(cginfo[cgm+cg]);
 845                 }
 846                 if (bHavePerturbedAtoms && fr->efep != efepNO)
 847                 {
 848                     SET_CGINFO_FEP(cginfo[cgm+cg]);
 849                     *bFEP_NonBonded = TRUE;
 850                 }
 851                 /* Store the charge group size */
 852                 SET_CGINFO_NATOMS(cginfo[cgm+cg], a1-a0);
 853
 854                 if (!bExclIntraAll || bExclInter)
 855                 {
 856                     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = FALSE;
 857                 }
 858             }
 859         }
 860
 861         sfree(a_con);
 862
 863         cg_offset += molb->nmol*cgs->nr;
 864         a_offset  += molb->nmol*cgs->index[cgs->nr];
 865     }
 866     sfree(bExcl);
 867
 868     /* the solvent optimizer is called after the QM is initialized,
 869      * because we don't want to have the QM subsystemto become an
 870      * optimized solvent
 871      */
 872
 873     check_solvent(fplog, mtop, fr, cginfo_mb);
 874
 875     if (getenv("GMX_NO_SOLV_OPT"))
 876     {
 877         if (fplog)
 878         {
 879             fprintf(fplog, "Found environment variable GMX_NO_SOLV_OPT.\n"
 880                     "Disabling all solvent optimization\n");
 881         }
 882         fr->solvent_opt = esolNO;
 883     }
 884     if (bNoSolvOpt)
 885     {
 886         fr->solvent_opt = esolNO;
 887     }
 888     if (!fr->solvent_opt)
 889     {
 890         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 891         {
 892             for (cg = 0; cg < cginfo_mb[mb].cg_mod; cg++)
 893             {
 894                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[cg], esolNO);
 895             }
 896         }
 897     }
 898
 899     return cginfo_mb;
 900 }
 901
 902 static int *cginfo_expand(int nmb, cginfo_mb_t *cgi_mb)
 903 {
 904     int  ncg, mb, cg;
 905     int *cginfo;
 906
 907     ncg = cgi_mb[nmb-1].cg_end;
 908     snew(cginfo, ncg);
 909     mb = 0;
 910     for (cg = 0; cg < ncg; cg++)
 911     {
 912         while (cg >= cgi_mb[mb].cg_end)
 913         {
 914             mb++;
 915         }
 916         cginfo[cg] =
 917             cgi_mb[mb].cginfo[(cg - cgi_mb[mb].cg_start) % cgi_mb[mb].cg_mod];
 918     }
 919
 920     return cginfo;
 921 }
 922
 923 static void set_chargesum(FILE *log, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 924 {
 925     /*This now calculates sum for q and c6*/
 926     double         qsum, q2sum, q, c6sum, c6;
 927     int            mb, nmol, i;
 928     const t_atoms *atoms;
 929
 930     qsum   = 0;
 931     q2sum  = 0;
 932     c6sum  = 0;
 933     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 934     {
 935         nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 936         atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 937         for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 938         {
 939             q       = atoms->atom[i].q;
 940             qsum   += nmol*q;
 941             q2sum  += nmol*q*q;
 942             c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 943             c6sum  += nmol*c6;
 944         }
 945     }
 946     fr->qsum[0]   = qsum;
 947     fr->q2sum[0]  = q2sum;
 948     fr->c6sum[0]  = c6sum;
 949
 950     if (fr->efep != efepNO)
 951     {
 952         qsum   = 0;
 953         q2sum  = 0;
 954         c6sum  = 0;
 955         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 956         {
 957             nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 958             atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 959             for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 960             {
 961                 q       = atoms->atom[i].qB;
 962                 qsum   += nmol*q;
 963                 q2sum  += nmol*q*q;
 964                 c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 965                 c6sum  += nmol*c6;
 966             }
 967             fr->qsum[1]   = qsum;
 968             fr->q2sum[1]  = q2sum;
 969             fr->c6sum[1]  = c6sum;
 970         }
 971     }
 972     else
 973     {
 974         fr->qsum[1]   = fr->qsum[0];
 975         fr->q2sum[1]  = fr->q2sum[0];
 976         fr->c6sum[1]  = fr->c6sum[0];
 977     }
 978     if (log)
 979     {
 980         if (fr->efep == efepNO)
 981         {
 982             fprintf(log, "System total charge: %.3f\n", fr->qsum[0]);
 983         }
 984         else
 985         {
 986             fprintf(log, "System total charge, top. A: %.3f top. B: %.3f\n",
 987                     fr->qsum[0], fr->qsum[1]);
 988         }
 989     }
 990 }
 991
 992 void update_forcerec(t_forcerec *fr, matrix box)
 993 {
 994     if (fr->eeltype == eelGRF)
 995     {
 996         calc_rffac(nullptr, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
 997                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
 998                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->c_rf);
 999     }
1000 }
1001
1002 void set_avcsixtwelve(FILE *fplog, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
1003 {
1004     const t_atoms  *atoms, *atoms_tpi;
1005     const t_blocka *excl;
1006     int             mb, nmol, nmolc, i, j, tpi, tpj, j1, j2, k, nexcl, q;
1007     gmx_int64_t     npair, npair_ij, tmpi, tmpj;
1008     double          csix, ctwelve;
1009     int             ntp, *typecount;
1010     gmx_bool        bBHAM;
1011     real           *nbfp;
1012     real           *nbfp_comb = nullptr;
1013
1014     ntp   = fr->ntype;
1015     bBHAM = fr->bBHAM;
1016     nbfp  = fr->nbfp;
1017
1018     /* For LJ-PME, we want to correct for the difference between the
1019      * actual C6 values and the C6 values used by the LJ-PME based on
1020      * combination rules. */
1021
1022     if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
1023     {
1024         nbfp_comb = mk_nbfp_combination_rule(&mtop->ffparams,
1025                                              (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB) ? eCOMB_ARITHMETIC : eCOMB_GEOMETRIC);
1026         for (tpi = 0; tpi < ntp; ++tpi)
1027         {
1028             for (tpj = 0; tpj < ntp; ++tpj)
1029             {
1030                 C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) =
1031                     C6(nbfp, ntp, tpi, tpj) - C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj);
1032                 C12(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) = C12(nbfp, ntp, tpi, tpj);
1033             }
1034         }
1035         nbfp = nbfp_comb;
1036     }
1037     for (q = 0; q < (fr->efep == efepNO ? 1 : 2); q++)
1038     {
1039         csix    = 0;
1040         ctwelve = 0;
1041         npair   = 0;
1042         nexcl   = 0;
1043         if (!fr->n_tpi)
1044         {
1045             /* Count the types so we avoid natoms^2 operations */
1046             snew(typecount, ntp);
1047             gmx_mtop_count_atomtypes(mtop, q, typecount);
1048
1049             for (tpi = 0; tpi < ntp; tpi++)
1050             {
1051                 for (tpj = tpi; tpj < ntp; tpj++)
1052                 {
1053                     tmpi = typecount[tpi];
1054                     tmpj = typecount[tpj];
1055                     if (tpi != tpj)
1056                     {
1057                         npair_ij = tmpi*tmpj;
1058                     }
1059                     else
1060                     {
1061                         npair_ij = tmpi*(tmpi - 1)/2;
1062                     }
1063                     if (bBHAM)
1064                     {
1065                         /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1066                         csix    += npair_ij*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1067                     }
1068                     else
1069                     {
1070                         /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1071                         csix    += npair_ij*   C6(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1072                         ctwelve += npair_ij*  C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1073                     }
1074                     npair += npair_ij;
1075                 }
1076             }
1077             sfree(typecount);
1078             /* Subtract the excluded pairs.
1079              * The main reason for substracting exclusions is that in some cases
1080              * some combinations might never occur and the parameters could have
1081              * any value. These unused values should not influence the dispersion
1082              * correction.
1083              */
1084             for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1085             {
1086                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1087                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1088                 excl  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].excls;
1089                 for (i = 0; (i < atoms->nr); i++)
1090                 {
1091                     if (q == 0)
1092                     {
1093                         tpi = atoms->atom[i].type;
1094                     }
1095                     else
1096                     {
1097                         tpi = atoms->atom[i].typeB;
1098                     }
1099                     j1  = excl->index[i];
1100                     j2  = excl->index[i+1];
1101                     for (j = j1; j < j2; j++)
1102                     {
1103                         k = excl->a[j];
1104                         if (k > i)
1105                         {
1106                             if (q == 0)
1107                             {
1108                                 tpj = atoms->atom[k].type;
1109                             }
1110                             else
1111                             {
1112                                 tpj = atoms->atom[k].typeB;
1113                             }
1114                             if (bBHAM)
1115                             {
1116                                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1117                                 csix -= nmol*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1118                             }
1119                             else
1120                             {
1121                                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1122                                 csix    -= nmol*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1123                                 ctwelve -= nmol*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1124                             }
1125                             nexcl += nmol;
1126                         }
1127                     }
1128                 }
1129             }
1130         }
1131         else
1132         {
1133             /* Only correct for the interaction of the test particle
1134              * with the rest of the system.
1135              */
1136             atoms_tpi =
1137                 &mtop->moltype[mtop->molblock[mtop->nmolblock-1].type].atoms;
1138
1139             npair = 0;
1140             for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1141             {
1142                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1143                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1144                 for (j = 0; j < atoms->nr; j++)
1145                 {
1146                     nmolc = nmol;
1147                     /* Remove the interaction of the test charge group
1148                      * with itself.
1149                      */
1150                     if (mb == mtop->nmolblock-1)
1151                     {
1152                         nmolc--;
1153
1154                         if (mb == 0 && nmol == 1)
1155                         {
1156                             gmx_fatal(FARGS, "Old format tpr with TPI, please generate a new tpr file");
1157                         }
1158                     }
1159                     if (q == 0)
1160                     {
1161                         tpj = atoms->atom[j].type;
1162                     }
1163                     else
1164                     {
1165                         tpj = atoms->atom[j].typeB;
1166                     }
1167                     for (i = 0; i < fr->n_tpi; i++)
1168                     {
1169                         if (q == 0)
1170                         {
1171                             tpi = atoms_tpi->atom[i].type;
1172                         }
1173                         else
1174                         {
1175                             tpi = atoms_tpi->atom[i].typeB;
1176                         }
1177                         if (bBHAM)
1178                         {
1179                             /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1180                             csix    += nmolc*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1181                         }
1182                         else
1183                         {
1184                             /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1185                             csix    += nmolc*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1186                             ctwelve += nmolc*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1187                         }
1188                         npair += nmolc;
1189                     }
1190                 }
1191             }
1192         }
1193         if (npair - nexcl <= 0 && fplog)
1194         {
1195             fprintf(fplog, "\nWARNING: There are no atom pairs for dispersion correction\n\n");
1196             csix     = 0;
1197             ctwelve  = 0;
1198         }
1199         else
1200         {
1201             csix    /= npair - nexcl;
1202             ctwelve /= npair - nexcl;
1203         }
1204         if (debug)
1205         {
1206             fprintf(debug, "Counted %d exclusions\n", nexcl);
1207             fprintf(debug, "Average C6 parameter is: %10g\n", (double)csix);
1208             fprintf(debug, "Average C12 parameter is: %10g\n", (double)ctwelve);
1209         }
1210         fr->avcsix[q]    = csix;
1211         fr->avctwelve[q] = ctwelve;
1212     }
1213
1214     if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
1215     {
1216         sfree(nbfp_comb);
1217     }
1218
1219     if (fplog != nullptr)
1220     {
1221         if (fr->eDispCorr == edispcAllEner ||
1222             fr->eDispCorr == edispcAllEnerPres)
1223         {
1224             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e, <C12> %10.4e\n",
1225                     fr->avcsix[0], fr->avctwelve[0]);
1226         }
1227         else
1228         {
1229             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e\n", fr->avcsix[0]);
1230         }
1231     }
1232 }
1233
1234
1235 static void set_bham_b_max(FILE *fplog, t_forcerec *fr,
1236                            const gmx_mtop_t *mtop)
1237 {
1238     const t_atoms *at1, *at2;
1239     int            mt1, mt2, i, j, tpi, tpj, ntypes;
1240     real           b, bmin;
1241     real          *nbfp;
1242
1243     if (fplog)
1244     {
1245         fprintf(fplog, "Determining largest Buckingham b parameter for table\n");
1246     }
1247     nbfp   = fr->nbfp;
1248     ntypes = fr->ntype;
1249
1250     bmin           = -1;
1251     fr->bham_b_max = 0;
1252     for (mt1 = 0; mt1 < mtop->nmoltype; mt1++)
1253     {
1254         at1 = &mtop->moltype[mt1].atoms;
1255         for (i = 0; (i < at1->nr); i++)
1256         {
1257             tpi = at1->atom[i].type;
1258             if (tpi >= ntypes)
1259             {
1260                 gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", i, tpi, ntypes);
1261             }
1262
1263             for (mt2 = mt1; mt2 < mtop->nmoltype; mt2++)
1264             {
1265                 at2 = &mtop->moltype[mt2].atoms;
1266                 for (j = 0; (j < at2->nr); j++)
1267                 {
1268                     tpj = at2->atom[j].type;
1269                     if (tpj >= ntypes)
1270                     {
1271                         gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", j, tpj, ntypes);
1272                     }
1273                     b = BHAMB(nbfp, ntypes, tpi, tpj);
1274                     if (b > fr->bham_b_max)
1275                     {
1276                         fr->bham_b_max = b;
1277                     }
1278                     if ((b < bmin) || (bmin == -1))
1279                     {
1280                         bmin = b;
1281                     }
1282                 }
1283             }
1284         }
1285     }
1286     if (fplog)
1287     {
1288         fprintf(fplog, "Buckingham b parameters, min: %g, max: %g\n",
1289                 bmin, fr->bham_b_max);
1290     }
1291 }
1292
1293 static void make_nbf_tables(FILE *fp,
1294                             t_forcerec *fr, real rtab,
1295                             const char *tabfn, char *eg1, char *eg2,
1296                             t_nblists *nbl)
1297 {
1298     char buf[STRLEN];
1299     int  i, j;
1300
1301     if (tabfn == nullptr)
1302     {
1303         if (debug)
1304         {
1305             fprintf(debug, "No table file name passed, can not read table, can not do non-bonded interactions\n");
1306         }
1307         return;
1308     }
1309
1310     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1311     if (eg1 && eg2)
1312     {
1313         /* Append the two energy group names */
1314         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s_%s.%s",
1315                 eg1, eg2, ftp2ext(efXVG));
1316     }
1317     nbl->table_elec_vdw = make_tables(fp, fr, buf, rtab, 0);
1318     /* Copy the contents of the table to separate coulomb and LJ tables too,
1319      * to improve cache performance.
1320      */
1321     /* For performance reasons we want
1322      * the table data to be aligned to 16-byte. The pointers could be freed
1323      * but currently aren't.
1324      */
1325     snew(nbl->table_elec, 1);
1326     nbl->table_elec->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_ELEC;
1327     nbl->table_elec->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1328     nbl->table_elec->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1329     nbl->table_elec->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1330     nbl->table_elec->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1331     nbl->table_elec->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1332     nbl->table_elec->ninteractions = 1;
1333     nbl->table_elec->stride        = nbl->table_elec->formatsize * nbl->table_elec->ninteractions;
1334     snew_aligned(nbl->table_elec->data, nbl->table_elec->stride*(nbl->table_elec->n+1), 32);
1335
1336     snew(nbl->table_vdw, 1);
1337     nbl->table_vdw->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_VDWREP_VDWDISP;
1338     nbl->table_vdw->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1339     nbl->table_vdw->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1340     nbl->table_vdw->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1341     nbl->table_vdw->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1342     nbl->table_vdw->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1343     nbl->table_vdw->ninteractions = 2;
1344     nbl->table_vdw->stride        = nbl->table_vdw->formatsize * nbl->table_vdw->ninteractions;
1345     snew_aligned(nbl->table_vdw->data, nbl->table_vdw->stride*(nbl->table_vdw->n+1), 32);
1346
1347     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
1348     {
1349         for (j = 0; j < 4; j++)
1350         {
1351             nbl->table_elec->data[4*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+j];
1352         }
1353         for (j = 0; j < 8; j++)
1354         {
1355             nbl->table_vdw->data[8*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+4+j];
1356         }
1357     }
1358 }
1359
1360 /*!\brief If there's bonded interactions of type \c ftype1 or \c
1361  * ftype2 present in the topology, build an array of the number of
1362  * interactions present for each bonded interaction index found in the
1363  * topology.
1364  *
1365  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1366  * valid type with that parameter.
1367  *
1368  * \c count will be reallocated as necessary to fit the largest bonded
1369  * interaction index found, and its current size will be returned in
1370  * \c ncount. It will contain zero for every bonded interaction index
1371  * for which no interactions are present in the topology.
1372  */
1373 static void count_tables(int ftype1, int ftype2, const gmx_mtop_t *mtop,
1374                          int *ncount, int **count)
1375 {
1376     const gmx_moltype_t *molt;
1377     const t_ilist       *il;
1378     int                  mt, ftype, stride, i, j, tabnr;
1379
1380     // Loop over all moleculetypes
1381     for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1382     {
1383         molt = &mtop->moltype[mt];
1384         // Loop over all interaction types
1385         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1386         {
1387             // If the current interaction type is one of the types whose tables we're trying to count...
1388             if (ftype == ftype1 || ftype == ftype2)
1389             {
1390                 il     = &molt->ilist[ftype];
1391                 stride = 1 + NRAL(ftype);
1392                 // ... and there are actually some interactions for this type
1393                 for (i = 0; i < il->nr; i += stride)
1394                 {
1395                     // Find out which table index the user wanted
1396                     tabnr = mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]].tab.table;
1397                     if (tabnr < 0)
1398                     {
1399                         gmx_fatal(FARGS, "A bonded table number is smaller than 0: %d\n", tabnr);
1400                     }
1401                     // Make room for this index in the data structure
1402                     if (tabnr >= *ncount)
1403                     {
1404                         srenew(*count, tabnr+1);
1405                         for (j = *ncount; j < tabnr+1; j++)
1406                         {
1407                             (*count)[j] = 0;
1408                         }
1409                         *ncount = tabnr+1;
1410                     }
1411                     // Record that this table index is used and must have a valid file
1412                     (*count)[tabnr]++;
1413                 }
1414             }
1415         }
1416     }
1417 }
1418
1419 /*!\brief If there's bonded interactions of flavour \c tabext and type
1420  * \c ftype1 or \c ftype2 present in the topology, seek them in the
1421  * list of filenames passed to mdrun, and make bonded tables from
1422  * those files.
1423  *
1424  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1425  * valid type with that parameter.
1426  *
1427  * A fatal error occurs if no matching filename is found.
1428  */
1429 static bondedtable_t *make_bonded_tables(FILE *fplog,
1430                                          int ftype1, int ftype2,
1431                                          const gmx_mtop_t *mtop,
1432                                          const t_filenm *tabbfnm,
1433                                          const char *tabext)
1434 {
1435     int            ncount, *count;
1436     bondedtable_t *tab;
1437
1438     tab = nullptr;
1439
1440     ncount = 0;
1441     count  = nullptr;
1442     count_tables(ftype1, ftype2, mtop, &ncount, &count);
1443
1444     // Are there any relevant tabulated bond interactions?
1445     if (ncount > 0)
1446     {
1447         snew(tab, ncount);
1448         for (int i = 0; i < ncount; i++)
1449         {
1450             // Do any interactions exist that requires this table?
1451             if (count[i] > 0)
1452             {
1453                 // This pattern enforces the current requirement that
1454                 // table filenames end in a characteristic sequence
1455                 // before the file type extension, and avoids table 13
1456                 // being recognized and used for table 1.
1457                 std::string patternToFind = gmx::formatString("_%s%d.%s", tabext, i, ftp2ext(efXVG));
1458                 bool        madeTable     = false;
1459                 for (int j = 0; j < tabbfnm->nfiles && !madeTable; ++j)
1460                 {
1461                     std::string filename(tabbfnm->fns[j]);
1462                     if (gmx::endsWith(filename, patternToFind))
1463                     {
1464                         // Finally read the table from the file found
1465                         tab[i]    = make_bonded_table(fplog, tabbfnm->fns[j], NRAL(ftype1)-2);
1466                         madeTable = true;
1467                     }
1468                 }
1469                 if (!madeTable)
1470                 {
1471                     bool isPlural = (ftype2 != -1);
1472                     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.",
1473                               interaction_function[ftype1].longname,
1474                               isPlural ? "' or '" : "",
1475                               isPlural ? interaction_function[ftype2].longname : "",
1476                               i,
1477                               patternToFind.c_str());
1478                 }
1479             }
1480         }
1481         sfree(count);
1482     }
1483
1484     return tab;
1485 }
1486
1487 void forcerec_set_ranges(t_forcerec *fr,
1488                          int ncg_home, int ncg_force,
1489                          int natoms_force,
1490                          int natoms_force_constr, int natoms_f_novirsum)
1491 {
1492     fr->cg0 = 0;
1493     fr->hcg = ncg_home;
1494
1495     /* fr->ncg_force is unused in the standard code,
1496      * but it can be useful for modified code dealing with charge groups.
1497      */
1498     fr->ncg_force           = ncg_force;
1499     fr->natoms_force        = natoms_force;
1500     fr->natoms_force_constr = natoms_force_constr;
1501
1502     if (fr->natoms_force_constr > fr->nalloc_force)
1503     {
1504         fr->nalloc_force = over_alloc_dd(fr->natoms_force_constr);
1505     }
1506
1507     if (fr->bF_NoVirSum)
1508     {
1509         /* TODO: remove this + 1 when padding is properly implemented */
1510         fr->forceBufferNoVirialSummation->resize(natoms_f_novirsum + 1);
1511     }
1512 }
1513
1514 static real cutoff_inf(real cutoff)
1515 {
1516     if (cutoff == 0)
1517     {
1518         cutoff = GMX_CUTOFF_INF;
1519     }
1520
1521     return cutoff;
1522 }
1523
1524 gmx_bool can_use_allvsall(const t_inputrec *ir, gmx_bool bPrintNote, t_commrec *cr, FILE *fp)
1525 {
1526     gmx_bool bAllvsAll;
1527
1528     bAllvsAll =
1529         (
1530             ir->rlist == 0            &&
1531             ir->rcoulomb == 0         &&
1532             ir->rvdw == 0             &&
1533             ir->ePBC == epbcNONE      &&
1534             ir->vdwtype == evdwCUT    &&
1535             ir->coulombtype == eelCUT &&
1536             ir->efep == efepNO        &&
1537             (ir->implicit_solvent == eisNO ||
1538              (ir->implicit_solvent == eisGBSA && (ir->gb_algorithm == egbSTILL ||
1539                                                   ir->gb_algorithm == egbHCT   ||
1540                                                   ir->gb_algorithm == egbOBC))) &&
1541             getenv("GMX_NO_ALLVSALL") == nullptr
1542         );
1543
1544     if (bAllvsAll && ir->opts.ngener > 1)
1545     {
1546         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";
1547
1548         if (bPrintNote)
1549         {
1550             if (fp != nullptr)
1551             {
1552                 fprintf(fp, "\n%s\n", note);
1553             }
1554         }
1555         bAllvsAll = FALSE;
1556     }
1557
1558     if (bAllvsAll && fp && MASTER(cr))
1559     {
1560         fprintf(fp, "\nUsing SIMD all-vs-all kernels.\n\n");
1561     }
1562
1563     return bAllvsAll;
1564 }
1565
1566
1567 gmx_bool nbnxn_simd_supported(const gmx::MDLogger &mdlog,
1568                               const t_inputrec    *ir)
1569 {
1570     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1571     {
1572         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1573          * This so slow that we don't compile SIMD non-bonded kernels
1574          * for that. */
1575         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with SIMD kernels, falling back to plain C kernels");
1576         return FALSE;
1577     }
1578
1579     return TRUE;
1580 }
1581
1582
1583 static void pick_nbnxn_kernel_cpu(const t_inputrec gmx_unused *ir,
1584                                   int                         *kernel_type,
1585                                   int                         *ewald_excl)
1586 {
1587     *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1588     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1589
1590 #if GMX_SIMD
1591     {
1592 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1593         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1594 #endif
1595 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1596         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1597 #endif
1598
1599 #if defined GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && defined GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1600         /* We need to choose if we want 2x(N+N) or 4xN kernels.
1601          * Currently this is based on the SIMD acceleration choice,
1602          * but it might be better to decide this at runtime based on CPU.
1603          *
1604          * 4xN calculates more (zero) interactions, but has less pair-search
1605          * work and much better kernel instruction scheduling.
1606          *
1607          * Up till now we have only seen that on Intel Sandy/Ivy Bridge,
1608          * which doesn't have FMA, both the analytical and tabulated Ewald
1609          * kernels have similar pair rates for 4x8 and 2x(4+4), so we choose
1610          * 2x(4+4) because it results in significantly fewer pairs.
1611          * For RF, the raw pair rate of the 4x8 kernel is higher than 2x(4+4),
1612          * 10% with HT, 50% without HT. As we currently don't detect the actual
1613          * use of HT, use 4x8 to avoid a potential performance hit.
1614          * On Intel Haswell 4x8 is always faster.
1615          */
1616         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1617
1618 #if !GMX_SIMD_HAVE_FMA
1619         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) ||
1620             EVDW_PME(ir->vdwtype))
1621         {
1622             /* We have Ewald kernels without FMA (Intel Sandy/Ivy Bridge).
1623              * There are enough instructions to make 2x(4+4) efficient.
1624              */
1625             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1626         }
1627 #endif
1628 #endif  /* GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && GMX_NBNXN_SIMD_4XN */
1629
1630
1631         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_4XN") != nullptr)
1632         {
1633 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1634             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1635 #else
1636             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 4xN kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1637 #endif
1638         }
1639         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_2XNN") != nullptr)
1640         {
1641 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1642             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1643 #else
1644             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 2x(N+N) kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1645 #endif
1646         }
1647
1648         /* Analytical Ewald exclusion correction is only an option in
1649          * the SIMD kernel.
1650          * Since table lookup's don't parallelize with SIMD, analytical
1651          * will probably always be faster for a SIMD width of 8 or more.
1652          * With FMA analytical is sometimes faster for a width if 4 as well.
1653          * On BlueGene/Q, this is faster regardless of precision.
1654          * In single precision, this is faster on Bulldozer.
1655          * On Skylake table is faster in single and double. TODO: Test 5xxx series.
1656          */
1657 #if ((GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 8 || (GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 4 && GMX_SIMD_HAVE_FMA && !GMX_DOUBLE)) \
1658         && !GMX_SIMD_X86_AVX_512) || GMX_SIMD_IBM_QPX
1659         *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1660 #endif
1661         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_TABLE") != nullptr)
1662         {
1663             *ewald_excl = ewaldexclTable;
1664         }
1665         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_ANALYTICAL") != nullptr)
1666         {
1667             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1668         }
1669
1670     }
1671 #endif // GMX_SIMD
1672 }
1673
1674
1675 const char *lookup_nbnxn_kernel_name(int kernel_type)
1676 {
1677     const char *returnvalue = nullptr;
1678     switch (kernel_type)
1679     {
1680         case nbnxnkNotSet:
1681             returnvalue = "not set";
1682             break;
1683         case nbnxnk4x4_PlainC:
1684             returnvalue = "plain C";
1685             break;
1686         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
1687         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
1688 #if GMX_SIMD
1689             returnvalue = "SIMD";
1690 #else  // GMX_SIMD
1691             returnvalue = "not available";
1692 #endif // GMX_SIMD
1693             break;
1694         case nbnxnk8x8x8_GPU: returnvalue    = "GPU"; break;
1695         case nbnxnk8x8x8_PlainC: returnvalue = "plain C"; break;
1696
1697         case nbnxnkNR:
1698         default:
1699             gmx_fatal(FARGS, "Illegal kernel type selected");
1700             returnvalue = nullptr;
1701             break;
1702     }
1703     return returnvalue;
1704 };
1705
1706 static void pick_nbnxn_kernel(FILE                *fp,
1707                               const gmx::MDLogger &mdlog,
1708                               gmx_bool             use_simd_kernels,
1709                               gmx_bool             bUseGPU,
1710                               bool                 emulateGpu,
1711                               const t_inputrec    *ir,
1712                               int                 *kernel_type,
1713                               int                 *ewald_excl,
1714                               gmx_bool             bDoNonbonded)
1715 {
1716     assert(kernel_type);
1717
1718     *kernel_type = nbnxnkNotSet;
1719     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1720
1721     if (emulateGpu)
1722     {
1723         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_PlainC;
1724
1725         if (bDoNonbonded)
1726         {
1727             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("Emulating a GPU run on the CPU (slow)");
1728         }
1729     }
1730     else if (bUseGPU)
1731     {
1732         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_GPU;
1733     }
1734
1735     if (*kernel_type == nbnxnkNotSet)
1736     {
1737         if (use_simd_kernels &&
1738             nbnxn_simd_supported(mdlog, ir))
1739         {
1740             pick_nbnxn_kernel_cpu(ir, kernel_type, ewald_excl);
1741         }
1742         else
1743         {
1744             *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1745         }
1746     }
1747
1748     if (bDoNonbonded && fp != nullptr)
1749     {
1750         fprintf(fp, "\nUsing %s %dx%d non-bonded kernels\n\n",
1751                 lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type),
1752                 nbnxn_kernel_to_cluster_i_size(*kernel_type),
1753                 nbnxn_kernel_to_cluster_j_size(*kernel_type));
1754
1755         if (nbnxnk4x4_PlainC == *kernel_type ||
1756             nbnxnk8x8x8_PlainC == *kernel_type)
1757         {
1758             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendTextFormatted(
1759                     "WARNING: Using the slow %s kernels. This should\n"
1760                     "not happen during routine usage on supported platforms.",
1761                     lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type));
1762         }
1763     }
1764 }
1765
1766 gmx_bool uses_simple_tables(int                 cutoff_scheme,
1767                             nonbonded_verlet_t *nbv,
1768                             int                 group)
1769 {
1770     gmx_bool bUsesSimpleTables = TRUE;
1771     int      grp_index;
1772
1773     switch (cutoff_scheme)
1774     {
1775         case ecutsGROUP:
1776             bUsesSimpleTables = TRUE;
1777             break;
1778         case ecutsVERLET:
1779             assert(NULL != nbv && NULL != nbv->grp);
1780             grp_index         = (group < 0) ? 0 : (nbv->ngrp - 1);
1781             bUsesSimpleTables = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[grp_index].kernel_type);
1782             break;
1783         default:
1784             gmx_incons("unimplemented");
1785     }
1786     return bUsesSimpleTables;
1787 }
1788
1789 static void init_ewald_f_table(interaction_const_t *ic,
1790                                real                 rtab)
1791 {
1792     real maxr;
1793
1794     /* Get the Ewald table spacing based on Coulomb and/or LJ
1795      * Ewald coefficients and rtol.
1796      */
1797     ic->tabq_scale = ewald_spline3_table_scale(ic);
1798
1799     if (ic->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1800     {
1801         maxr = ic->rcoulomb;
1802     }
1803     else
1804     {
1805         maxr = std::max(ic->rcoulomb, rtab);
1806     }
1807     ic->tabq_size  = static_cast<int>(maxr*ic->tabq_scale) + 2;
1808
1809     sfree_aligned(ic->tabq_coul_FDV0);
1810     sfree_aligned(ic->tabq_coul_F);
1811     sfree_aligned(ic->tabq_coul_V);
1812
1813     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0);
1814     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_F);
1815     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_V);
1816
1817     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype))
1818     {
1819         /* Create the original table data in FDV0 */
1820         snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1821         snew_aligned(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_size, 32);
1822         snew_aligned(ic->tabq_coul_V, ic->tabq_size, 32);
1823         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_coul_V, ic->tabq_coul_FDV0,
1824                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_q, v_q_ewald_lr);
1825     }
1826
1827     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1828     {
1829         snew_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1830         snew_aligned(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_size, 32);
1831         snew_aligned(ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_size, 32);
1832         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_vdw_FDV0,
1833                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_lj, v_lj_ewald_lr);
1834     }
1835 }
1836
1837 void init_interaction_const_tables(FILE                *fp,
1838                                    interaction_const_t *ic,
1839                                    real                 rtab)
1840 {
1841     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype))
1842     {
1843         init_ewald_f_table(ic, rtab);
1844
1845         if (fp != nullptr)
1846         {
1847             fprintf(fp, "Initialized non-bonded Ewald correction tables, spacing: %.2e size: %d\n\n",
1848                     1/ic->tabq_scale, ic->tabq_size);
1849         }
1850     }
1851 }
1852
1853 static void clear_force_switch_constants(shift_consts_t *sc)
1854 {
1855     sc->c2   = 0;
1856     sc->c3   = 0;
1857     sc->cpot = 0;
1858 }
1859
1860 static void force_switch_constants(real p,
1861                                    real rsw, real rc,
1862                                    shift_consts_t *sc)
1863 {
1864     /* Here we determine the coefficient for shifting the force to zero
1865      * between distance rsw and the cut-off rc.
1866      * For a potential of r^-p, we have force p*r^-(p+1).
1867      * But to save flops we absorb p in the coefficient.
1868      * Thus we get:
1869      * force/p   = r^-(p+1) + c2*r^2 + c3*r^3
1870      * potential = r^-p + c2/3*r^3 + c3/4*r^4 + cpot
1871      */
1872     sc->c2   =  ((p + 1)*rsw - (p + 4)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::square(rc - rsw));
1873     sc->c3   = -((p + 1)*rsw - (p + 3)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::power3(rc - rsw));
1874     sc->cpot = -pow(rc, -p) + p*sc->c2/3*gmx::power3(rc - rsw) + p*sc->c3/4*gmx::power4(rc - rsw);
1875 }
1876
1877 static void potential_switch_constants(real rsw, real rc,
1878                                        switch_consts_t *sc)
1879 {
1880     /* The switch function is 1 at rsw and 0 at rc.
1881      * The derivative and second derivate are zero at both ends.
1882      * rsw        = max(r - r_switch, 0)
1883      * sw         = 1 + c3*rsw^3 + c4*rsw^4 + c5*rsw^5
1884      * dsw        = 3*c3*rsw^2 + 4*c4*rsw^3 + 5*c5*rsw^4
1885      * force      = force*dsw - potential*sw
1886      * potential *= sw
1887      */
1888     sc->c3 = -10/gmx::power3(rc - rsw);
1889     sc->c4 =  15/gmx::power4(rc - rsw);
1890     sc->c5 =  -6/gmx::power5(rc - rsw);
1891 }
1892
1893 /*! \brief Construct interaction constants
1894  *
1895  * This data is used (particularly) by search and force code for
1896  * short-range interactions. Many of these are constant for the whole
1897  * simulation; some are constant only after PME tuning completes.
1898  */
1899 static void
1900 init_interaction_const(FILE                       *fp,
1901                        interaction_const_t       **interaction_const,
1902                        const t_forcerec           *fr)
1903 {
1904     interaction_const_t *ic;
1905
1906     snew(ic, 1);
1907
1908     ic->cutoff_scheme   = fr->cutoff_scheme;
1909
1910     /* Just allocate something so we can free it */
1911     snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, 16, 32);
1912     snew_aligned(ic->tabq_coul_F, 16, 32);
1913     snew_aligned(ic->tabq_coul_V, 16, 32);
1914
1915     /* Lennard-Jones */
1916     ic->vdwtype         = fr->vdwtype;
1917     ic->vdw_modifier    = fr->vdw_modifier;
1918     ic->rvdw            = fr->rvdw;
1919     ic->rvdw_switch     = fr->rvdw_switch;
1920     ic->ewaldcoeff_lj   = fr->ewaldcoeff_lj;
1921     ic->ljpme_comb_rule = fr->ljpme_combination_rule;
1922     ic->sh_lj_ewald     = 0;
1923     clear_force_switch_constants(&ic->dispersion_shift);
1924     clear_force_switch_constants(&ic->repulsion_shift);
1925
1926     switch (ic->vdw_modifier)
1927     {
1928         case eintmodPOTSHIFT:
1929             /* Only shift the potential, don't touch the force */
1930             ic->dispersion_shift.cpot = -1.0/gmx::power6(ic->rvdw);
1931             ic->repulsion_shift.cpot  = -1.0/gmx::power12(ic->rvdw);
1932             if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1933             {
1934                 real crc2;
1935
1936                 crc2            = gmx::square(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
1937                 ic->sh_lj_ewald = (std::exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)/gmx::power6(ic->rvdw);
1938             }
1939             break;
1940         case eintmodFORCESWITCH:
1941             /* Switch the force, switch and shift the potential */
1942             force_switch_constants(6.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
1943                                    &ic->dispersion_shift);
1944             force_switch_constants(12.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
1945                                    &ic->repulsion_shift);
1946             break;
1947         case eintmodPOTSWITCH:
1948             /* Switch the potential and force */
1949             potential_switch_constants(ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
1950                                        &ic->vdw_switch);
1951             break;
1952         case eintmodNONE:
1953         case eintmodEXACTCUTOFF:
1954             /* Nothing to do here */
1955             break;
1956         default:
1957             gmx_incons("unimplemented potential modifier");
1958     }
1959
1960     ic->sh_invrc6 = -ic->dispersion_shift.cpot;
1961
1962     /* Electrostatics */
1963     ic->eeltype          = fr->eeltype;
1964     ic->coulomb_modifier = fr->coulomb_modifier;
1965     ic->rcoulomb         = fr->rcoulomb;
1966     ic->epsilon_r        = fr->epsilon_r;
1967     ic->epsfac           = fr->epsfac;
1968     ic->ewaldcoeff_q     = fr->ewaldcoeff_q;
1969
1970     if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1971     {
1972         ic->sh_ewald = std::erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb);
1973     }
1974     else
1975     {
1976         ic->sh_ewald = 0;
1977     }
1978
1979     /* Reaction-field */
1980     if (EEL_RF(ic->eeltype))
1981     {
1982         ic->epsilon_rf = fr->epsilon_rf;
1983         ic->k_rf       = fr->k_rf;
1984         ic->c_rf       = fr->c_rf;
1985     }
1986     else
1987     {
1988         /* For plain cut-off we might use the reaction-field kernels */
1989         ic->epsilon_rf = ic->epsilon_r;
1990         ic->k_rf       = 0;
1991         if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1992         {
1993             ic->c_rf   = 1/ic->rcoulomb;
1994         }
1995         else
1996         {
1997             ic->c_rf   = 0;
1998         }
1999     }
2000
2001     if (fp != nullptr)
2002     {
2003         real dispersion_shift;
2004
2005         dispersion_shift = ic->dispersion_shift.cpot;
2006         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2007         {
2008             dispersion_shift -= ic->sh_lj_ewald;
2009         }
2010         fprintf(fp, "Potential shift: LJ r^-12: %.3e r^-6: %.3e",
2011                 ic->repulsion_shift.cpot, dispersion_shift);
2012
2013         if (ic->eeltype == eelCUT)
2014         {
2015             fprintf(fp, ", Coulomb %.e", -ic->c_rf);
2016         }
2017         else if (EEL_PME(ic->eeltype))
2018         {
2019             fprintf(fp, ", Ewald %.3e", -ic->sh_ewald);
2020         }
2021         fprintf(fp, "\n");
2022     }
2023
2024     *interaction_const = ic;
2025 }
2026
2027 /* TODO deviceInfo should be logically const, but currently
2028  * init_gpu modifies it to set up NVML support. This could
2029  * happen during the detection phase, and deviceInfo could
2030  * the become const. */
2031 static void init_nb_verlet(FILE                *fp,
2032                            const gmx::MDLogger &mdlog,
2033                            nonbonded_verlet_t **nb_verlet,
2034                            gmx_bool             bFEP_NonBonded,
2035                            const t_inputrec    *ir,
2036                            const t_forcerec    *fr,
2037                            const t_commrec     *cr,
2038                            const char          *nbpu_opt,
2039                            gmx_device_info_t   *deviceInfo,
2040                            const gmx_mtop_t    *mtop,
2041                            matrix               box)
2042 {
2043     nonbonded_verlet_t *nbv;
2044     int                 i;
2045     char               *env;
2046     gmx_bool            bHybridGPURun = FALSE;
2047
2048     nbnxn_alloc_t      *nb_alloc;
2049     nbnxn_free_t       *nb_free;
2050
2051     nbv = new nonbonded_verlet_t();
2052
2053     nbv->emulateGpu = (getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr);
2054     nbv->bUseGPU    = deviceInfo != nullptr;
2055
2056     GMX_RELEASE_ASSERT(!(nbv->emulateGpu && nbv->bUseGPU), "When GPU emulation is active, there cannot be a GPU assignment");
2057
2058     if (nbv->bUseGPU)
2059     {
2060         /* Use the assigned GPU. */
2061         init_gpu(mdlog, cr->nodeid, deviceInfo);
2062     }
2063
2064     nbv->nbs             = nullptr;
2065     nbv->min_ci_balanced = 0;
2066
2067     nbv->ngrp = (DOMAINDECOMP(cr) ? 2 : 1);
2068     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2069     {
2070         nbv->grp[i].nbl_lists.nnbl = 0;
2071         nbv->grp[i].nbat           = nullptr;
2072         nbv->grp[i].kernel_type    = nbnxnkNotSet;
2073
2074         if (i == 0) /* local */
2075         {
2076             pick_nbnxn_kernel(fp, mdlog, fr->use_simd_kernels,
2077                               nbv->bUseGPU, nbv->emulateGpu, ir,
2078                               &nbv->grp[i].kernel_type,
2079                               &nbv->grp[i].ewald_excl,
2080                               fr->bNonbonded);
2081         }
2082         else /* non-local */
2083         {
2084             if (nbpu_opt != nullptr && strcmp(nbpu_opt, "gpu_cpu") == 0)
2085             {
2086                 /* Use GPU for local, select a CPU kernel for non-local */
2087                 pick_nbnxn_kernel(fp, mdlog, fr->use_simd_kernels,
2088                                   FALSE, false, ir,
2089                                   &nbv->grp[i].kernel_type,
2090                                   &nbv->grp[i].ewald_excl,
2091                                   fr->bNonbonded);
2092
2093                 bHybridGPURun = TRUE;
2094             }
2095             else
2096             {
2097                 /* Use the same kernel for local and non-local interactions */
2098                 nbv->grp[i].kernel_type = nbv->grp[0].kernel_type;
2099                 nbv->grp[i].ewald_excl  = nbv->grp[0].ewald_excl;
2100             }
2101         }
2102     }
2103
2104     nbv->listParams = std::unique_ptr<NbnxnListParameters>(new NbnxnListParameters(ir->rlist));
2105     setupDynamicPairlistPruning(fp, ir, mtop, box, nbv->bUseGPU, fr->ic,
2106                                 nbv->listParams.get());
2107
2108     nbnxn_init_search(&nbv->nbs,
2109                       DOMAINDECOMP(cr) ? &cr->dd->nc : nullptr,
2110                       DOMAINDECOMP(cr) ? domdec_zones(cr->dd) : nullptr,
2111                       bFEP_NonBonded,
2112                       gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch));
2113
2114     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2115     {
2116         gpu_set_host_malloc_and_free(nbv->grp[0].kernel_type == nbnxnk8x8x8_GPU,
2117                                      &nb_alloc, &nb_free);
2118
2119         nbnxn_init_pairlist_set(&nbv->grp[i].nbl_lists,
2120                                 nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2121                                 /* 8x8x8 "non-simple" lists are ATM always combined */
2122                                 !nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2123                                 nb_alloc, nb_free);
2124
2125         if (i == 0 ||
2126             nbv->grp[0].kernel_type != nbv->grp[i].kernel_type)
2127         {
2128             gmx_bool bSimpleList;
2129             int      enbnxninitcombrule;
2130
2131             bSimpleList = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type);
2132
2133             if (fr->vdwtype == evdwCUT &&
2134                 (fr->vdw_modifier == eintmodNONE ||
2135                  fr->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) &&
2136                 getenv("GMX_NO_LJ_COMB_RULE") == nullptr)
2137             {
2138                 /* Plain LJ cut-off: we can optimize with combination rules */
2139                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleDETECT;
2140             }
2141             else if (fr->vdwtype == evdwPME)
2142             {
2143                 /* LJ-PME: we need to use a combination rule for the grid */
2144                 if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeGEOM)
2145                 {
2146                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleGEOM;
2147                 }
2148                 else
2149                 {
2150                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleLB;
2151                 }
2152             }
2153             else
2154             {
2155                 /* We use a full combination matrix: no rule required */
2156                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleNONE;
2157             }
2158
2159
2160             snew(nbv->grp[i].nbat, 1);
2161             nbnxn_atomdata_init(fp,
2162                                 nbv->grp[i].nbat,
2163                                 nbv->grp[i].kernel_type,
2164                                 enbnxninitcombrule,
2165                                 fr->ntype, fr->nbfp,
2166                                 ir->opts.ngener,
2167                                 bSimpleList ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : 1,
2168                                 nb_alloc, nb_free);
2169         }
2170         else
2171         {
2172             nbv->grp[i].nbat = nbv->grp[0].nbat;
2173         }
2174     }
2175
2176     if (nbv->bUseGPU)
2177     {
2178         /* init the NxN GPU data; the last argument tells whether we'll have
2179          * both local and non-local NB calculation on GPU */
2180         nbnxn_gpu_init(&nbv->gpu_nbv,
2181                        deviceInfo,
2182                        fr->ic,
2183                        nbv->listParams.get(),
2184                        nbv->grp,
2185                        cr->nodeid,
2186                        (nbv->ngrp > 1) && !bHybridGPURun);
2187
2188         /* With tMPI + GPUs some ranks may be sharing GPU(s) and therefore
2189          * also sharing texture references. To keep the code simple, we don't
2190          * treat texture references as shared resources, but this means that
2191          * the coulomb_tab and nbfp texture refs will get updated by multiple threads.
2192          * Hence, to ensure that the non-bonded kernels don't start before all
2193          * texture binding operations are finished, we need to wait for all ranks
2194          * to arrive here before continuing.
2195          *
2196          * Note that we could omit this barrier if GPUs are not shared (or
2197          * texture objects are used), but as this is initialization code, there
2198          * is no point in complicating things.
2199          */
2200 #if GMX_THREAD_MPI
2201         if (PAR(cr))
2202         {
2203             gmx_barrier(cr);
2204         }
2205 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
2206
2207         if ((env = getenv("GMX_NB_MIN_CI")) != nullptr)
2208         {
2209             char *end;
2210
2211             nbv->min_ci_balanced = strtol(env, &end, 10);
2212             if (!end || (*end != 0) || nbv->min_ci_balanced < 0)
2213             {
2214                 gmx_fatal(FARGS, "Invalid value passed in GMX_NB_MIN_CI=%s, non-negative integer required", env);
2215             }
2216
2217             if (debug)
2218             {
2219                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (passed as env. var.)\n",
2220                         nbv->min_ci_balanced);
2221             }
2222         }
2223         else
2224         {
2225             nbv->min_ci_balanced = nbnxn_gpu_min_ci_balanced(nbv->gpu_nbv);
2226             if (debug)
2227             {
2228                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (auto-adjusted to the number of GPU multi-processors)\n",
2229                         nbv->min_ci_balanced);
2230             }
2231         }
2232
2233     }
2234
2235     *nb_verlet = nbv;
2236 }
2237
2238 gmx_bool usingGpu(nonbonded_verlet_t *nbv)
2239 {
2240     return nbv != nullptr && nbv->bUseGPU;
2241 }
2242
2243 void init_forcerec(FILE                *fp,
2244                    const gmx::MDLogger &mdlog,
2245                    t_forcerec          *fr,
2246                    t_fcdata            *fcd,
2247                    const t_inputrec    *ir,
2248                    const gmx_mtop_t    *mtop,
2249                    const t_commrec     *cr,
2250                    matrix               box,
2251                    const char          *tabfn,
2252                    const char          *tabpfn,
2253                    const t_filenm      *tabbfnm,
2254                    const char          *nbpu_opt,
2255                    gmx_device_info_t   *deviceInfo,
2256                    gmx_bool             bNoSolvOpt,
2257                    real                 print_force)
2258 {
2259     int            i, m, negp_pp, negptable, egi, egj;
2260     real           rtab;
2261     char          *env;
2262     double         dbl;
2263     const t_block *cgs;
2264     gmx_bool       bGenericKernelOnly;
2265     gmx_bool       needGroupSchemeTables, bSomeNormalNbListsAreInUse;
2266     gmx_bool       bFEP_NonBonded;
2267     int           *nm_ind, egp_flags;
2268
2269     /* By default we turn SIMD kernels on, but it might be turned off further down... */
2270     fr->use_simd_kernels = TRUE;
2271
2272     fr->bDomDec = DOMAINDECOMP(cr);
2273
2274     if (check_box(ir->ePBC, box))
2275     {
2276         gmx_fatal(FARGS, check_box(ir->ePBC, box));
2277     }
2278
2279     /* Test particle insertion ? */
2280     if (EI_TPI(ir->eI))
2281     {
2282         /* Set to the size of the molecule to be inserted (the last one) */
2283         /* Because of old style topologies, we have to use the last cg
2284          * instead of the last molecule type.
2285          */
2286         cgs       = &mtop->moltype[mtop->molblock[mtop->nmolblock-1].type].cgs;
2287         fr->n_tpi = cgs->index[cgs->nr] - cgs->index[cgs->nr-1];
2288         if (fr->n_tpi != mtop->mols.index[mtop->mols.nr] - mtop->mols.index[mtop->mols.nr-1])
2289         {
2290             gmx_fatal(FARGS, "The molecule to insert can not consist of multiple charge groups.\nMake it a single charge group.");
2291         }
2292     }
2293     else
2294     {
2295         fr->n_tpi = 0;
2296     }
2297
2298     if (ir->coulombtype == eelRF_NEC_UNSUPPORTED)
2299     {
2300         gmx_fatal(FARGS, "%s electrostatics is no longer supported",
2301                   eel_names[ir->coulombtype]);
2302     }
2303
2304     if (ir->bAdress)
2305     {
2306         gmx_fatal(FARGS, "AdResS simulations are no longer supported");
2307     }
2308     if (ir->useTwinRange)
2309     {
2310         gmx_fatal(FARGS, "Twin-range simulations are no longer supported");
2311     }
2312     /* Copy the user determined parameters */
2313     fr->userint1  = ir->userint1;
2314     fr->userint2  = ir->userint2;
2315     fr->userint3  = ir->userint3;
2316     fr->userint4  = ir->userint4;
2317     fr->userreal1 = ir->userreal1;
2318     fr->userreal2 = ir->userreal2;
2319     fr->userreal3 = ir->userreal3;
2320     fr->userreal4 = ir->userreal4;
2321
2322     /* Shell stuff */
2323     fr->fc_stepsize = ir->fc_stepsize;
2324
2325     /* Free energy */
2326     fr->efep        = ir->efep;
2327     fr->sc_alphavdw = ir->fepvals->sc_alpha;
2328     if (ir->fepvals->bScCoul)
2329     {
2330         fr->sc_alphacoul  = ir->fepvals->sc_alpha;
2331         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma_min);
2332     }
2333     else
2334     {
2335         fr->sc_alphacoul  = 0;
2336         fr->sc_sigma6_min = 0; /* only needed when bScCoul is on */
2337     }
2338     fr->sc_power      = ir->fepvals->sc_power;
2339     fr->sc_r_power    = ir->fepvals->sc_r_power;
2340     fr->sc_sigma6_def = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma);
2341
2342     env = getenv("GMX_SCSIGMA_MIN");
2343     if (env != nullptr)
2344     {
2345         dbl = 0;
2346         sscanf(env, "%20lf", &dbl);
2347         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(dbl);
2348         if (fp)
2349         {
2350             fprintf(fp, "Setting the minimum soft core sigma to %g nm\n", dbl);
2351         }
2352     }
2353
2354     fr->bNonbonded = TRUE;
2355     if (getenv("GMX_NO_NONBONDED") != nullptr)
2356     {
2357         /* turn off non-bonded calculations */
2358         fr->bNonbonded = FALSE;
2359         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(
2360                 "Found environment variable GMX_NO_NONBONDED.\n"
2361                 "Disabling nonbonded calculations.");
2362     }
2363
2364     bGenericKernelOnly = FALSE;
2365
2366     /* We now check in the NS code whether a particular combination of interactions
2367      * can be used with water optimization, and disable it if that is not the case.
2368      */
2369
2370     if (getenv("GMX_NB_GENERIC") != nullptr)
2371     {
2372         if (fp != nullptr)
2373         {
2374             fprintf(fp,
2375                     "Found environment variable GMX_NB_GENERIC.\n"
2376                     "Disabling all interaction-specific nonbonded kernels, will only\n"
2377                     "use the slow generic ones in src/gmxlib/nonbonded/nb_generic.c\n\n");
2378         }
2379         bGenericKernelOnly = TRUE;
2380     }
2381
2382     if (bGenericKernelOnly == TRUE)
2383     {
2384         bNoSolvOpt         = TRUE;
2385     }
2386
2387     if ( (getenv("GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS") != nullptr) || (getenv("GMX_NOOPTIMIZEDKERNELS") != nullptr) )
2388     {
2389         fr->use_simd_kernels = FALSE;
2390         if (fp != nullptr)
2391         {
2392             fprintf(fp,
2393                     "\nFound environment variable GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS.\n"
2394                     "Disabling the usage of any SIMD-specific non-bonded & bonded kernel routines\n"
2395                     "(e.g. SSE2/SSE4.1/AVX).\n\n");
2396         }
2397     }
2398
2399     fr->bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2400
2401     /* Check if we can/should do all-vs-all kernels */
2402     fr->bAllvsAll       = can_use_allvsall(ir, FALSE, nullptr, nullptr);
2403     fr->AllvsAll_work   = nullptr;
2404     fr->AllvsAll_workgb = nullptr;
2405
2406     /* All-vs-all kernels have not been implemented in 4.6 and later.
2407      * See Redmine #1249. */
2408     if (fr->bAllvsAll)
2409     {
2410         fr->bAllvsAll            = FALSE;
2411         if (fp != nullptr)
2412         {
2413             fprintf(fp,
2414                     "\nYour simulation settings would have triggered the efficient all-vs-all\n"
2415                     "kernels in GROMACS 4.5, but these have not been implemented in GROMACS\n"
2416                     "4.6 and 5.x. If performance is important, please use GROMACS 4.5.7\n"
2417                     "or try cutoff-scheme = Verlet.\n\n");
2418         }
2419     }
2420
2421     /* Neighbour searching stuff */
2422     fr->cutoff_scheme = ir->cutoff_scheme;
2423     fr->bGrid         = (ir->ns_type == ensGRID);
2424     fr->ePBC          = ir->ePBC;
2425
2426     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2427     {
2428         const char *note = "NOTE: This file uses the deprecated 'group' cutoff_scheme. This will be\n"
2429             "removed in a future release when 'verlet' supports all interaction forms.\n";
2430
2431         if (MASTER(cr))
2432         {
2433             fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
2434         }
2435         if (fp != nullptr)
2436         {
2437             fprintf(fp, "\n%s\n", note);
2438         }
2439     }
2440
2441     /* Determine if we will do PBC for distances in bonded interactions */
2442     if (fr->ePBC == epbcNONE)
2443     {
2444         fr->bMolPBC = FALSE;
2445     }
2446     else
2447     {
2448         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2449         {
2450             gmx_bool bSHAKE;
2451
2452             bSHAKE = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
2453                       (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) > 0 ||
2454                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC) > 0));
2455
2456             /* The group cut-off scheme and SHAKE assume charge groups
2457              * are whole, but not using molpbc is faster in most cases.
2458              * With intermolecular interactions we need PBC for calculating
2459              * distances between atoms in different molecules.
2460              */
2461             if ((fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP || bSHAKE) &&
2462                 !mtop->bIntermolecularInteractions)
2463             {
2464                 fr->bMolPBC = ir->bPeriodicMols;
2465
2466                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2467                 {
2468                     gmx_fatal(FARGS, "SHAKE is not supported with periodic molecules");
2469                 }
2470             }
2471             else
2472             {
2473                 /* Not making molecules whole is faster in most cases,
2474                  * but With orientation restraints we need whole molecules.
2475                  */
2476                 fr->bMolPBC = (fcd->orires.nr == 0);
2477
2478                 if (getenv("GMX_USE_GRAPH") != nullptr)
2479                 {
2480                     fr->bMolPBC = FALSE;
2481                     if (fp)
2482                     {
2483                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("GMX_USE_GRAPH is set, using the graph for bonded interactions");
2484                     }
2485
2486                     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2487                     {
2488                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("WARNING: Molecules linked by intermolecular interactions have to reside in the same periodic image, otherwise artifacts will occur!");
2489                     }
2490                 }
2491
2492                 GMX_RELEASE_ASSERT(fr->bMolPBC || !mtop->bIntermolecularInteractions, "We need to use PBC within molecules with inter-molecular interactions");
2493
2494                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2495                 {
2496                     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");
2497                 }
2498             }
2499         }
2500         else
2501         {
2502             fr->bMolPBC = dd_bonded_molpbc(cr->dd, fr->ePBC);
2503         }
2504     }
2505     fr->bGB = (ir->implicit_solvent == eisGBSA);
2506
2507     fr->rc_scaling = ir->refcoord_scaling;
2508     copy_rvec(ir->posres_com, fr->posres_com);
2509     copy_rvec(ir->posres_comB, fr->posres_comB);
2510     fr->rlist                    = cutoff_inf(ir->rlist);
2511     fr->eeltype                  = ir->coulombtype;
2512     fr->vdwtype                  = ir->vdwtype;
2513     fr->ljpme_combination_rule   = ir->ljpme_combination_rule;
2514
2515     fr->coulomb_modifier = ir->coulomb_modifier;
2516     fr->vdw_modifier     = ir->vdw_modifier;
2517
2518     /* Electrostatics: Translate from interaction-setting-in-mdp-file to kernel interaction format */
2519     switch (fr->eeltype)
2520     {
2521         case eelCUT:
2522             fr->nbkernel_elec_interaction = (fr->bGB) ? GMX_NBKERNEL_ELEC_GENERALIZEDBORN : GMX_NBKERNEL_ELEC_COULOMB;
2523             break;
2524
2525         case eelRF:
2526         case eelGRF:
2527             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2528             break;
2529
2530         case eelRF_ZERO:
2531             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2532             fr->coulomb_modifier          = eintmodEXACTCUTOFF;
2533             break;
2534
2535         case eelSWITCH:
2536         case eelSHIFT:
2537         case eelUSER:
2538         case eelENCADSHIFT:
2539         case eelPMESWITCH:
2540         case eelPMEUSER:
2541         case eelPMEUSERSWITCH:
2542             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2543             break;
2544
2545         case eelPME:
2546         case eelP3M_AD:
2547         case eelEWALD:
2548             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_EWALD;
2549             break;
2550
2551         default:
2552             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported electrostatic interaction: %s", eel_names[fr->eeltype]);
2553             break;
2554     }
2555
2556     /* Vdw: Translate from mdp settings to kernel format */
2557     switch (fr->vdwtype)
2558     {
2559         case evdwCUT:
2560             if (fr->bBHAM)
2561             {
2562                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_BUCKINGHAM;
2563             }
2564             else
2565             {
2566                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LENNARDJONES;
2567             }
2568             break;
2569         case evdwPME:
2570             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LJEWALD;
2571             break;
2572
2573         case evdwSWITCH:
2574         case evdwSHIFT:
2575         case evdwUSER:
2576         case evdwENCADSHIFT:
2577             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2578             break;
2579
2580         default:
2581             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported vdw interaction: %s", evdw_names[fr->vdwtype]);
2582             break;
2583     }
2584
2585     /* These start out identical to ir, but might be altered if we e.g. tabulate the interaction in the kernel */
2586     fr->nbkernel_elec_modifier    = fr->coulomb_modifier;
2587     fr->nbkernel_vdw_modifier     = fr->vdw_modifier;
2588
2589     fr->rvdw             = cutoff_inf(ir->rvdw);
2590     fr->rvdw_switch      = ir->rvdw_switch;
2591     fr->rcoulomb         = cutoff_inf(ir->rcoulomb);
2592     fr->rcoulomb_switch  = ir->rcoulomb_switch;
2593
2594     fr->bEwald     = EEL_PME_EWALD(fr->eeltype);
2595
2596     fr->reppow     = mtop->ffparams.reppow;
2597
2598     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2599     {
2600         fr->bvdwtab    = ((fr->vdwtype != evdwCUT || !gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2601                           && !EVDW_PME(fr->vdwtype));
2602         /* We have special kernels for standard Ewald and PME, but the pme-switch ones are tabulated above */
2603         fr->bcoultab   = !(fr->eeltype == eelCUT ||
2604                            fr->eeltype == eelEWALD ||
2605                            fr->eeltype == eelPME ||
2606                            fr->eeltype == eelRF ||
2607                            fr->eeltype == eelRF_ZERO);
2608
2609         /* If the user absolutely wants different switch/shift settings for coul/vdw, it is likely
2610          * going to be faster to tabulate the interaction than calling the generic kernel.
2611          * However, if generic kernels have been requested we keep things analytically.
2612          */
2613         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2614             fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2615             bGenericKernelOnly == FALSE)
2616         {
2617             if ((fr->rcoulomb_switch != fr->rvdw_switch) || (fr->rcoulomb != fr->rvdw))
2618             {
2619                 fr->bcoultab = TRUE;
2620                 /* Once we tabulate electrostatics, we can use the switch function for LJ,
2621                  * which would otherwise need two tables.
2622                  */
2623             }
2624         }
2625         else if ((fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSHIFT && fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) ||
2626                  ((fr->nbkernel_elec_interaction == GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD &&
2627                    fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodEXACTCUTOFF &&
2628                    (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT))))
2629         {
2630             if ((fr->rcoulomb != fr->rvdw) && (bGenericKernelOnly == FALSE))
2631             {
2632                 fr->bcoultab = TRUE;
2633             }
2634         }
2635
2636         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2637         {
2638             fr->bcoultab = TRUE;
2639         }
2640         if (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2641         {
2642             fr->bvdwtab = TRUE;
2643         }
2644
2645         if (getenv("GMX_REQUIRE_TABLES"))
2646         {
2647             fr->bvdwtab  = TRUE;
2648             fr->bcoultab = TRUE;
2649         }
2650
2651         if (fp)
2652         {
2653             fprintf(fp, "Table routines are used for coulomb: %s\n",
2654                     gmx::boolToString(fr->bcoultab));
2655             fprintf(fp, "Table routines are used for vdw:     %s\n",
2656                     gmx::boolToString(fr->bvdwtab));
2657         }
2658
2659         if (fr->bvdwtab == TRUE)
2660         {
2661             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2662             fr->nbkernel_vdw_modifier    = eintmodNONE;
2663         }
2664         if (fr->bcoultab == TRUE)
2665         {
2666             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2667             fr->nbkernel_elec_modifier    = eintmodNONE;
2668         }
2669     }
2670
2671     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2672     {
2673         if (!gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2674         {
2675             gmx_fatal(FARGS, "Cut-off scheme %S only supports LJ repulsion power 12", ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2676         }
2677         fr->bvdwtab  = FALSE;
2678         fr->bcoultab = FALSE;
2679     }
2680
2681     /* This now calculates sum for q and C6 */
2682     set_chargesum(fp, fr, mtop);
2683
2684     /* Tables are used for direct ewald sum */
2685     if (fr->bEwald)
2686     {
2687         if (EEL_PME(ir->coulombtype))
2688         {
2689             if (fp)
2690             {
2691                 fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for electrostatic interactions.\n");
2692             }
2693             if (ir->coulombtype == eelP3M_AD)
2694             {
2695                 please_cite(fp, "Hockney1988");
2696                 please_cite(fp, "Ballenegger2012");
2697             }
2698             else
2699             {
2700                 please_cite(fp, "Essmann95a");
2701             }
2702
2703             if (ir->ewald_geometry == eewg3DC)
2704             {
2705                 bool haveNetCharge = (fabs(fr->qsum[0]) > 1e-4 ||
2706                                       fabs(fr->qsum[1]) > 1e-4);
2707                 if (fp)
2708                 {
2709                     fprintf(fp, "Using the Ewald3DC correction for systems with a slab geometry%s.\n",
2710                             haveNetCharge ? " and net charge" : "");
2711                 }
2712                 please_cite(fp, "In-Chul99a");
2713                 if (haveNetCharge)
2714                 {
2715                     please_cite(fp, "Ballenegger2009");
2716                 }
2717             }
2718         }
2719         fr->ewaldcoeff_q = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
2720         init_ewald_tab(&(fr->ewald_table), ir, fp);
2721         if (fp)
2722         {
2723             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for Ewald\n",
2724                     1/fr->ewaldcoeff_q);
2725         }
2726     }
2727
2728     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
2729     {
2730         if (fp)
2731         {
2732             fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for LJ dispersion interactions.\n");
2733         }
2734         please_cite(fp, "Essmann95a");
2735         fr->ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
2736         if (fp)
2737         {
2738             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for LJ Ewald\n",
2739                     1/fr->ewaldcoeff_lj);
2740         }
2741     }
2742
2743     /* Electrostatics */
2744     fr->epsilon_r       = ir->epsilon_r;
2745     fr->epsilon_rf      = ir->epsilon_rf;
2746     fr->fudgeQQ         = mtop->ffparams.fudgeQQ;
2747
2748     /* Parameters for generalized RF */
2749     fr->zsquare = 0.0;
2750     fr->temp    = 0.0;
2751
2752     if (fr->eeltype == eelGRF)
2753     {
2754         init_generalized_rf(fp, mtop, ir, fr);
2755     }
2756
2757     fr->bF_NoVirSum = (EEL_FULL(fr->eeltype) || EVDW_PME(fr->vdwtype) ||
2758                        fr->forceProviders->hasForcesWithoutVirialContribution() ||
2759                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_POSRES) > 0 ||
2760                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_FBPOSRES) > 0);
2761
2762     if (fr->bF_NoVirSum)
2763     {
2764         fr->forceBufferNoVirialSummation = new PaddedRVecVector;
2765     }
2766
2767     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2768         ncg_mtop(mtop) > fr->cg_nalloc && !DOMAINDECOMP(cr))
2769     {
2770         /* Count the total number of charge groups */
2771         fr->cg_nalloc = ncg_mtop(mtop);
2772         srenew(fr->cg_cm, fr->cg_nalloc);
2773     }
2774     if (fr->shift_vec == nullptr)
2775     {
2776         snew(fr->shift_vec, SHIFTS);
2777     }
2778
2779     if (fr->fshift == nullptr)
2780     {
2781         snew(fr->fshift, SHIFTS);
2782     }
2783
2784     if (fr->nbfp == nullptr)
2785     {
2786         fr->ntype = mtop->ffparams.atnr;
2787         fr->nbfp  = mk_nbfp(&mtop->ffparams, fr->bBHAM);
2788         if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
2789         {
2790             fr->ljpme_c6grid  = make_ljpme_c6grid(&mtop->ffparams, fr);
2791         }
2792     }
2793
2794     /* Copy the energy group exclusions */
2795     fr->egp_flags = ir->opts.egp_flags;
2796
2797     /* Van der Waals stuff */
2798     if ((fr->vdwtype != evdwCUT) && (fr->vdwtype != evdwUSER) && !fr->bBHAM)
2799     {
2800         if (fr->rvdw_switch >= fr->rvdw)
2801         {
2802             gmx_fatal(FARGS, "rvdw_switch (%f) must be < rvdw (%f)",
2803                       fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2804         }
2805         if (fp)
2806         {
2807             fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones, switch between %g and %g nm\n",
2808                     (fr->eeltype == eelSWITCH) ? "switched" : "shifted",
2809                     fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2810         }
2811     }
2812
2813     if (fr->bBHAM && EVDW_PME(fr->vdwtype))
2814     {
2815         gmx_fatal(FARGS, "LJ PME not supported with Buckingham");
2816     }
2817
2818     if (fr->bBHAM && (fr->vdwtype == evdwSHIFT || fr->vdwtype == evdwSWITCH))
2819     {
2820         gmx_fatal(FARGS, "Switch/shift interaction not supported with Buckingham");
2821     }
2822
2823     if (fr->bBHAM && fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2824     {
2825         gmx_fatal(FARGS, "Verlet cutoff-scheme is not supported with Buckingham");
2826     }
2827
2828     if (fp)
2829     {
2830         fprintf(fp, "Cut-off's:   NS: %g   Coulomb: %g   %s: %g\n",
2831                 fr->rlist, fr->rcoulomb, fr->bBHAM ? "BHAM" : "LJ", fr->rvdw);
2832     }
2833
2834     fr->eDispCorr = ir->eDispCorr;
2835     fr->numAtomsForDispersionCorrection = mtop->natoms;
2836     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
2837     {
2838         set_avcsixtwelve(fp, fr, mtop);
2839     }
2840
2841     if (fr->bBHAM)
2842     {
2843         set_bham_b_max(fp, fr, mtop);
2844     }
2845
2846     fr->gb_epsilon_solvent = ir->gb_epsilon_solvent;
2847
2848     /* Copy the GBSA data (radius, volume and surftens for each
2849      * atomtype) from the topology atomtype section to forcerec.
2850      */
2851     snew(fr->atype_radius, fr->ntype);
2852     snew(fr->atype_vol, fr->ntype);
2853     snew(fr->atype_surftens, fr->ntype);
2854     snew(fr->atype_gb_radius, fr->ntype);
2855     snew(fr->atype_S_hct, fr->ntype);
2856
2857     if (mtop->atomtypes.nr > 0)
2858     {
2859         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2860         {
2861             fr->atype_radius[i] = mtop->atomtypes.radius[i];
2862         }
2863         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2864         {
2865             fr->atype_vol[i] = mtop->atomtypes.vol[i];
2866         }
2867         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2868         {
2869             fr->atype_surftens[i] = mtop->atomtypes.surftens[i];
2870         }
2871         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2872         {
2873             fr->atype_gb_radius[i] = mtop->atomtypes.gb_radius[i];
2874         }
2875         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2876         {
2877             fr->atype_S_hct[i] = mtop->atomtypes.S_hct[i];
2878         }
2879     }
2880
2881     /* Generate the GB table if needed */
2882     if (fr->bGB)
2883     {
2884 #if GMX_DOUBLE
2885         fr->gbtabscale = 2000;
2886 #else
2887         fr->gbtabscale = 500;
2888 #endif
2889
2890         fr->gbtabr = 100;
2891         fr->gbtab  = make_gb_table(fr);
2892
2893         init_gb(&fr->born, fr, ir, mtop, ir->gb_algorithm);
2894
2895         /* Copy local gb data (for dd, this is done in dd_partition_system) */
2896         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2897         {
2898             make_local_gb(cr, fr->born, ir->gb_algorithm);
2899         }
2900     }
2901
2902     /* Set the charge scaling */
2903     if (fr->epsilon_r != 0)
2904     {
2905         fr->epsfac = ONE_4PI_EPS0/fr->epsilon_r;
2906     }
2907     else
2908     {
2909         /* eps = 0 is infinite dieletric: no coulomb interactions */
2910         fr->epsfac = 0;
2911     }
2912
2913     /* Reaction field constants */
2914     if (EEL_RF(fr->eeltype))
2915     {
2916         calc_rffac(fp, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
2917                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
2918                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->c_rf);
2919     }
2920
2921     /* Construct tables for the group scheme. A little unnecessary to
2922      * make both vdw and coul tables sometimes, but what the
2923      * heck. Note that both cutoff schemes construct Ewald tables in
2924      * init_interaction_const_tables. */
2925     needGroupSchemeTables = (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2926                              (fr->bcoultab || fr->bvdwtab));
2927
2928     negp_pp   = ir->opts.ngener - ir->nwall;
2929     negptable = 0;
2930     if (!needGroupSchemeTables)
2931     {
2932         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2933         fr->nnblists               = 1;
2934     }
2935     else
2936     {
2937         bSomeNormalNbListsAreInUse = FALSE;
2938         for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
2939         {
2940             for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
2941             {
2942                 egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
2943                 if (!(egp_flags & EGP_EXCL))
2944                 {
2945                     if (egp_flags & EGP_TABLE)
2946                     {
2947                         negptable++;
2948                     }
2949                     else
2950                     {
2951                         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2952                     }
2953                 }
2954             }
2955         }
2956         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
2957         {
2958             fr->nnblists = negptable + 1;
2959         }
2960         else
2961         {
2962             fr->nnblists = negptable;
2963         }
2964         if (fr->nnblists > 1)
2965         {
2966             snew(fr->gid2nblists, ir->opts.ngener*ir->opts.ngener);
2967         }
2968     }
2969
2970     snew(fr->nblists, fr->nnblists);
2971
2972     /* This code automatically gives table length tabext without cut-off's,
2973      * in that case grompp should already have checked that we do not need
2974      * normal tables and we only generate tables for 1-4 interactions.
2975      */
2976     rtab = ir->rlist + ir->tabext;
2977
2978     if (needGroupSchemeTables)
2979     {
2980         /* make tables for ordinary interactions */
2981         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
2982         {
2983             make_nbf_tables(fp, fr, rtab, tabfn, nullptr, nullptr, &fr->nblists[0]);
2984             m = 1;
2985         }
2986         else
2987         {
2988             m = 0;
2989         }
2990         if (negptable > 0)
2991         {
2992             /* Read the special tables for certain energy group pairs */
2993             nm_ind = mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind;
2994             for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
2995             {
2996                 for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
2997                 {
2998                     egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
2999                     if ((egp_flags & EGP_TABLE) && !(egp_flags & EGP_EXCL))
3000                     {
3001                         if (fr->nnblists > 1)
3002                         {
3003                             fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = m;
3004                         }
3005                         /* Read the table file with the two energy groups names appended */
3006                         make_nbf_tables(fp, fr, rtab, tabfn,
3007                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
3008                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
3009                                         &fr->nblists[m]);
3010                         m++;
3011                     }
3012                     else if (fr->nnblists > 1)
3013                     {
3014                         fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = 0;
3015                     }
3016                 }
3017             }
3018         }
3019     }
3020
3021     /* Tables might not be used for the potential modifier
3022      * interactions per se, but we still need them to evaluate
3023      * switch/shift dispersion corrections in this case. */
3024     if (fr->eDispCorr != edispcNO)
3025     {
3026         fr->dispersionCorrectionTable = makeDispersionCorrectionTable(fp, fr, rtab, tabfn);
3027     }
3028
3029     /* We want to use unmodified tables for 1-4 coulombic
3030      * interactions, so we must in general have an extra set of
3031      * tables. */
3032     if (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJ14) > 0 ||
3033         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC14_Q) > 0 ||
3034         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC_PAIRS_NB) > 0)
3035     {
3036         fr->pairsTable = make_tables(fp, fr, tabpfn, rtab,
3037                                      GMX_MAKETABLES_14ONLY);
3038     }
3039
3040     /* Wall stuff */
3041     fr->nwall = ir->nwall;
3042     if (ir->nwall && ir->wall_type == ewtTABLE)
3043     {
3044         make_wall_tables(fp, ir, tabfn, &mtop->groups, fr);
3045     }
3046
3047     if (fcd && tabbfnm)
3048     {
3049         // Need to catch std::bad_alloc
3050         // TODO Don't need to catch this here, when merging with master branch
3051         try
3052         {
3053             fcd->bondtab  = make_bonded_tables(fp,
3054                                                F_TABBONDS, F_TABBONDSNC,
3055                                                mtop, tabbfnm, "b");
3056             fcd->angletab = make_bonded_tables(fp,
3057                                                F_TABANGLES, -1,
3058                                                mtop, tabbfnm, "a");
3059             fcd->dihtab   = make_bonded_tables(fp,
3060                                                F_TABDIHS, -1,
3061                                                mtop, tabbfnm, "d");
3062         }
3063         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
3064     }
3065     else
3066     {
3067         if (debug)
3068         {
3069             fprintf(debug, "No fcdata or table file name passed, can not read table, can not do bonded interactions\n");
3070         }
3071     }
3072
3073     /* QM/MM initialization if requested
3074      */
3075     if (ir->bQMMM)
3076     {
3077         fprintf(stderr, "QM/MM calculation requested.\n");
3078     }
3079
3080     fr->bQMMM      = ir->bQMMM;
3081     fr->qr         = mk_QMMMrec();
3082
3083     /* Set all the static charge group info */
3084     fr->cginfo_mb = init_cginfo_mb(fp, mtop, fr, bNoSolvOpt,
3085                                    &bFEP_NonBonded,
3086                                    &fr->bExcl_IntraCGAll_InterCGNone);
3087     if (DOMAINDECOMP(cr))
3088     {
3089         fr->cginfo = nullptr;
3090     }
3091     else
3092     {
3093         fr->cginfo = cginfo_expand(mtop->nmolblock, fr->cginfo_mb);
3094     }
3095
3096     if (!DOMAINDECOMP(cr))
3097     {
3098         forcerec_set_ranges(fr, ncg_mtop(mtop), ncg_mtop(mtop),
3099                             mtop->natoms, mtop->natoms, mtop->natoms);
3100     }
3101
3102     fr->print_force = print_force;
3103
3104
3105     /* coarse load balancing vars */
3106     fr->t_fnbf    = 0.;
3107     fr->t_wait    = 0.;
3108     fr->timesteps = 0;
3109
3110     /* Initialize neighbor search */
3111     snew(fr->ns, 1);
3112     init_ns(fp, cr, fr->ns, fr, mtop);
3113
3114     if (cr->duty & DUTY_PP)
3115     {
3116         gmx_nonbonded_setup(fr, bGenericKernelOnly);
3117     }
3118
3119     /* Initialize the thread working data for bonded interactions */
3120     init_bonded_threading(fp, mtop->groups.grps[egcENER].nr,
3121                           &fr->bonded_threading);
3122
3123     fr->nthread_ewc = gmx_omp_nthreads_get(emntBonded);
3124     snew(fr->ewc_t, fr->nthread_ewc);
3125
3126     /* fr->ic is used both by verlet and group kernels (to some extent) now */
3127     init_interaction_const(fp, &fr->ic, fr);
3128     init_interaction_const_tables(fp, fr->ic, rtab);
3129
3130     if (fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
3131     {
3132         // We checked the cut-offs in grompp, but double-check here.
3133         // We have PME+LJcutoff kernels for rcoulomb>rvdw.
3134         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) && ir->vdwtype == eelCUT)
3135         {
3136             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb >= ir->rvdw, "With Verlet lists and PME we should have rcoulomb>=rvdw");
3137         }
3138         else
3139         {
3140             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb == ir->rvdw, "With Verlet lists and no PME rcoulomb and rvdw should be identical");
3141         }
3142
3143         init_nb_verlet(fp, mdlog, &fr->nbv, bFEP_NonBonded, ir, fr,
3144                        cr, nbpu_opt, deviceInfo,
3145                        mtop, box);
3146     }
3147
3148     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
3149     {
3150         calc_enervirdiff(fp, ir->eDispCorr, fr);
3151     }
3152 }
3153
3154 #define pr_real(fp, r) fprintf(fp, "%s: %e\n",#r, r)
3155 #define pr_int(fp, i)  fprintf((fp), "%s: %d\n",#i, i)
3156 #define pr_bool(fp, b) fprintf((fp), "%s: %s\n",#b, gmx::boolToString(b))
3157
3158 void pr_forcerec(FILE *fp, t_forcerec *fr)
3159 {
3160     int i;
3161
3162     pr_real(fp, fr->rlist);
3163     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3164     pr_real(fp, fr->fudgeQQ);
3165     pr_bool(fp, fr->bGrid);
3166     /*pr_int(fp,fr->cg0);
3167        pr_int(fp,fr->hcg);*/
3168     for (i = 0; i < fr->nnblists; i++)
3169     {
3170         pr_int(fp, fr->nblists[i].table_elec_vdw->n);
3171     }
3172     pr_real(fp, fr->rcoulomb_switch);
3173     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3174
3175     fflush(fp);
3176 }
3177
3178 /* Frees GPU memory and destroys the GPU context.
3179  *
3180  * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
3181  * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
3182  * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
3183  */
3184 void free_gpu_resources(const t_forcerec        *fr,
3185                         const t_commrec         *cr,
3186                         const gmx_device_info_t *deviceInfo)
3187 {
3188     gmx_bool bIsPPrankUsingGPU;
3189     char     gpu_err_str[STRLEN];
3190
3191     bIsPPrankUsingGPU = (cr->duty & DUTY_PP) && fr && fr->nbv && fr->nbv->bUseGPU;
3192
3193     if (bIsPPrankUsingGPU)
3194     {
3195         /* free nbnxn data in GPU memory */
3196         nbnxn_gpu_free(fr->nbv->gpu_nbv);
3197         /* stop the GPU profiler (only CUDA) */
3198         stopGpuProfiler();
3199     }
3200
3201     /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
3202      * destroying the CUDA context in free_gpu() as some tMPI ranks may be sharing
3203      * GPU and context.
3204      *
3205      * This is not a concern in OpenCL where we use one context per rank which
3206      * is freed in nbnxn_gpu_free().
3207      *
3208      * Note: it is safe to not call the barrier on the ranks which do not use GPU,
3209      * but it is easier and more futureproof to call it on the whole node.
3210      */
3211 #if GMX_THREAD_MPI
3212     if (PAR(cr) || MULTISIM(cr))
3213     {
3214         gmx_barrier_physical_node(cr);
3215     }
3216 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
3217
3218     if (bIsPPrankUsingGPU)
3219     {
3220         /* uninitialize GPU (by destroying the context) */
3221         if (!free_cuda_gpu(deviceInfo, gpu_err_str))
3222         {
3223             gmx_warning("On rank %d failed to free GPU #%d: %s",
3224                         cr->nodeid, get_current_cuda_gpu_device_id(), gpu_err_str);
3225         }
3226     }
3227 }