src/gromacs/mdlib/forcerec.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, 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 <cassert>
  44 #include <cmath>
  45 #include <cstdlib>
  46 #include <cstring>
  47
  48 #include <algorithm>
  49
  50 #include "gromacs/commandline/filenm.h"
  51 #include "gromacs/compat/make_unique.h"
  52 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  53 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  54 #include "gromacs/ewald/ewald.h"
  55 #include "gromacs/ewald/ewald-utils.h"
  56 #include "gromacs/fileio/filetypes.h"
  57 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  58 #include "gromacs/gmxlib/nonbonded/nonbonded.h"
  59 #include "gromacs/gpu_utils/gpu_utils.h"
  60 #include "gromacs/hardware/hw_info.h"
  61 #include "gromacs/listed-forces/gpubonded.h"
  62 #include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
  63 #include "gromacs/listed-forces/pairs.h"
  64 #include "gromacs/math/functions.h"
  65 #include "gromacs/math/units.h"
  66 #include "gromacs/math/utilities.h"
  67 #include "gromacs/math/vec.h"
  68 #include "gromacs/mdlib/force.h"
  69 #include "gromacs/mdlib/forcerec-threading.h"
  70 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  71 #include "gromacs/mdlib/md_support.h"
  72 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
  73 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.h"
  74 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
  75 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_grid.h"
  76 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_internal.h"
  77 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
  78 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
  79 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_tuning.h"
  80 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_util.h"
  81 #include "gromacs/mdlib/ns.h"
  82 #include "gromacs/mdlib/qmmm.h"
  83 #include "gromacs/mdlib/rf_util.h"
  84 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  85 #include "gromacs/mdlib/wall.h"
  86 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  87 #include "gromacs/mdtypes/fcdata.h"
  88 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  89 #include "gromacs/mdtypes/iforceprovider.h"
  90 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  91 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  92 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  93 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  94 #include "gromacs/simd/simd.h"
  95 #include "gromacs/tables/forcetable.h"
  96 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  97 #include "gromacs/trajectory/trajectoryframe.h"
  98 #include "gromacs/utility/cstringutil.h"
  99 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
 100 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
 101 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
 102 #include "gromacs/utility/logger.h"
 103 #include "gromacs/utility/physicalnodecommunicator.h"
 104 #include "gromacs/utility/pleasecite.h"
 105 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
 106 #include "gromacs/utility/strconvert.h"
 107
 108 #include "nbnxn_gpu_jit_support.h"
 109
 110 t_forcerec *mk_forcerec()
 111 {
 112     t_forcerec *fr;
 113
 114     snew(fr, 1);
 115
 116     return fr;
 117 }
 118
 119 static real *mk_nbfp(const gmx_ffparams_t *idef, gmx_bool bBHAM)
 120 {
 121     real *nbfp;
 122     int   i, j, k, atnr;
 123
 124     atnr = idef->atnr;
 125     if (bBHAM)
 126     {
 127         snew(nbfp, 3*atnr*atnr);
 128         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 129         {
 130             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 131             {
 132                 BHAMA(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.a;
 133                 BHAMB(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.b;
 134                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
 135                 BHAMC(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.c*6.0;
 136             }
 137         }
 138     }
 139     else
 140     {
 141         snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 142         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 143         {
 144             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 145             {
 146                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
 147                 C6(nbfp, atnr, i, j)   = idef->iparams[k].lj.c6*6.0;
 148                 C12(nbfp, atnr, i, j)  = idef->iparams[k].lj.c12*12.0;
 149             }
 150         }
 151     }
 152
 153     return nbfp;
 154 }
 155
 156 static real *make_ljpme_c6grid(const gmx_ffparams_t *idef, t_forcerec *fr)
 157 {
 158     int        i, j, k, atnr;
 159     real       c6, c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 160     real      *grid;
 161
 162     /* For LJ-PME simulations, we correct the energies with the reciprocal space
 163      * inside of the cut-off. To do this the non-bonded kernels needs to have
 164      * access to the C6-values used on the reciprocal grid in pme.c
 165      */
 166
 167     atnr = idef->atnr;
 168     snew(grid, 2*atnr*atnr);
 169     for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 170     {
 171         for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 172         {
 173             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 174             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 175             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 176             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 177             c6   = std::sqrt(c6i * c6j);
 178             if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB
 179                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12i) && !gmx_numzero(c12j))
 180             {
 181                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 182                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 183                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 184                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 185                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 186             }
 187             /* Store the elements at the same relative positions as C6 in nbfp in order
 188              * to simplify access in the kernels
 189              */
 190             grid[2*(atnr*i+j)] = c6*6.0;
 191         }
 192     }
 193     return grid;
 194 }
 195
 196 static real *mk_nbfp_combination_rule(const gmx_ffparams_t *idef, int comb_rule)
 197 {
 198     real      *nbfp;
 199     int        i, j, atnr;
 200     real       c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 201     real       c6, c12;
 202
 203     atnr = idef->atnr;
 204     snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 205     for (i = 0; i < atnr; ++i)
 206     {
 207         for (j = 0; j < atnr; ++j)
 208         {
 209             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 210             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 211             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 212             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 213             c6   = std::sqrt(c6i  * c6j);
 214             c12  = std::sqrt(c12i * c12j);
 215             if (comb_rule == eCOMB_ARITHMETIC
 216                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12))
 217             {
 218                 sigmai = gmx::sixthroot(c12i / c6i);
 219                 sigmaj = gmx::sixthroot(c12j / c6j);
 220                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 221                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 222                 c6     = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power6(0.5*(sigmai+sigmaj));
 223                 c12    = std::sqrt(epsi * epsj) * gmx::power12(0.5*(sigmai+sigmaj));
 224             }
 225             C6(nbfp, atnr, i, j)   = c6*6.0;
 226             C12(nbfp, atnr, i, j)  = c12*12.0;
 227         }
 228     }
 229     return nbfp;
 230 }
 231
 232 /* This routine sets fr->solvent_opt to the most common solvent in the
 233  * system, e.g. esolSPC or esolTIP4P. It will also mark each charge group in
 234  * the fr->solvent_type array with the correct type (or esolNO).
 235  *
 236  * Charge groups that fulfill the conditions but are not identical to the
 237  * most common one will be marked as esolNO in the solvent_type array.
 238  *
 239  * TIP3p is identical to SPC for these purposes, so we call it
 240  * SPC in the arrays (Apologies to Bill Jorgensen ;-)
 241  *
 242  * NOTE: QM particle should not
 243  * become an optimized solvent. Not even if there is only one charge
 244  * group in the Qm
 245  */
 246
 247 typedef struct
 248 {
 249     int    model;
 250     int    count;
 251     int    vdwtype[4];
 252     real   charge[4];
 253 } solvent_parameters_t;
 254
 255 static void
 256 check_solvent_cg(const gmx_moltype_t    *molt,
 257                  int                     cg0,
 258                  int                     nmol,
 259                  const unsigned char    *qm_grpnr,
 260                  const t_grps           *qm_grps,
 261                  t_forcerec   *          fr,
 262                  int                    *n_solvent_parameters,
 263                  solvent_parameters_t  **solvent_parameters_p,
 264                  int                     cginfo,
 265                  int                    *cg_sp)
 266 {
 267     t_atom               *atom;
 268     int                   j, k;
 269     int                   j0, j1, nj;
 270     gmx_bool              perturbed;
 271     gmx_bool              has_vdw[4];
 272     gmx_bool              match;
 273     real                  tmp_charge[4]  = { 0.0 }; /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 274     int                   tmp_vdwtype[4] = { 0 };   /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 275     int                   tjA;
 276     gmx_bool              qm;
 277     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 278
 279     /* We use a list with parameters for each solvent type.
 280      * Every time we discover a new molecule that fulfills the basic
 281      * conditions for a solvent we compare with the previous entries
 282      * in these lists. If the parameters are the same we just increment
 283      * the counter for that type, and otherwise we create a new type
 284      * based on the current molecule.
 285      *
 286      * Once we've finished going through all molecules we check which
 287      * solvent is most common, and mark all those molecules while we
 288      * clear the flag on all others.
 289      */
 290
 291     solvent_parameters = *solvent_parameters_p;
 292
 293     /* Mark the cg first as non optimized */
 294     *cg_sp = -1;
 295
 296     /* Check if this cg has no exclusions with atoms in other charge groups
 297      * and all atoms inside the charge group excluded.
 298      * We only have 3 or 4 atom solvent loops.
 299      */
 300     if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo) ||
 301         !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo))
 302     {
 303         return;
 304     }
 305
 306     /* Get the indices of the first atom in this charge group */
 307     j0     = molt->cgs.index[cg0];
 308     j1     = molt->cgs.index[cg0+1];
 309
 310     /* Number of atoms in our molecule */
 311     nj     = j1 - j0;
 312
 313     if (debug)
 314     {
 315         fprintf(debug,
 316                 "Moltype '%s': there are %d atoms in this charge group\n",
 317                 *molt->name, nj);
 318     }
 319
 320     /* Check if it could be an SPC (3 atoms) or TIP4p (4) water,
 321      * otherwise skip it.
 322      */
 323     if (nj < 3 || nj > 4)
 324     {
 325         return;
 326     }
 327
 328     /* Check if we are doing QM on this group */
 329     qm = FALSE;
 330     if (qm_grpnr != nullptr)
 331     {
 332         for (j = j0; j < j1 && !qm; j++)
 333         {
 334             qm = (qm_grpnr[j] < qm_grps->nr - 1);
 335         }
 336     }
 337     /* Cannot use solvent optimization with QM */
 338     if (qm)
 339     {
 340         return;
 341     }
 342
 343     atom = molt->atoms.atom;
 344
 345     /* Still looks like a solvent, time to check parameters */
 346
 347     /* If it is perturbed (free energy) we can't use the solvent loops,
 348      * so then we just skip to the next molecule.
 349      */
 350     perturbed = FALSE;
 351
 352     for (j = j0; j < j1 && !perturbed; j++)
 353     {
 354         perturbed = PERTURBED(atom[j]);
 355     }
 356
 357     if (perturbed)
 358     {
 359         return;
 360     }
 361
 362     /* Now it's only a question if the VdW and charge parameters
 363      * are OK. Before doing the check we compare and see if they are
 364      * identical to a possible previous solvent type.
 365      * First we assign the current types and charges.
 366      */
 367     for (j = 0; j < nj; j++)
 368     {
 369         tmp_vdwtype[j] = atom[j0+j].type;
 370         tmp_charge[j]  = atom[j0+j].q;
 371     }
 372
 373     /* Does it match any previous solvent type? */
 374     for (k = 0; k < *n_solvent_parameters; k++)
 375     {
 376         match = TRUE;
 377
 378
 379         /* We can only match SPC with 3 atoms and TIP4p with 4 atoms */
 380         if ( (solvent_parameters[k].model == esolSPC   && nj != 3)  ||
 381              (solvent_parameters[k].model == esolTIP4P && nj != 4) )
 382         {
 383             match = FALSE;
 384         }
 385
 386         /* Check that types & charges match for all atoms in molecule */
 387         for (j = 0; j < nj && match; j++)
 388         {
 389             if (tmp_vdwtype[j] != solvent_parameters[k].vdwtype[j])
 390             {
 391                 match = FALSE;
 392             }
 393             if (tmp_charge[j] != solvent_parameters[k].charge[j])
 394             {
 395                 match = FALSE;
 396             }
 397         }
 398         if (match)
 399         {
 400             /* Congratulations! We have a matched solvent.
 401              * Flag it with this type for later processing.
 402              */
 403             *cg_sp = k;
 404             solvent_parameters[k].count += nmol;
 405
 406             /* We are done with this charge group */
 407             return;
 408         }
 409     }
 410
 411     /* If we get here, we have a tentative new solvent type.
 412      * Before we add it we must check that it fulfills the requirements
 413      * of the solvent optimized loops. First determine which atoms have
 414      * VdW interactions.
 415      */
 416     for (j = 0; j < nj; j++)
 417     {
 418         has_vdw[j] = FALSE;
 419         tjA        = tmp_vdwtype[j];
 420
 421         /* Go through all other tpes and see if any have non-zero
 422          * VdW parameters when combined with this one.
 423          */
 424         for (k = 0; k < fr->ntype && (!has_vdw[j]); k++)
 425         {
 426             /* We already checked that the atoms weren't perturbed,
 427              * so we only need to check state A now.
 428              */
 429             if (fr->bBHAM)
 430             {
 431                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 432                               (BHAMA(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 433                               (BHAMB(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 434                               (BHAMC(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 435             }
 436             else
 437             {
 438                 /* Standard LJ */
 439                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 440                               (C6(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k)  != 0.0) ||
 441                               (C12(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 442             }
 443         }
 444     }
 445
 446     /* Now we know all we need to make the final check and assignment. */
 447     if (nj == 3)
 448     {
 449         /* So, is it an SPC?
 450          * For this we require thatn all atoms have charge,
 451          * the charges on atom 2 & 3 should be the same, and only
 452          * atom 1 might have VdW.
 453          */
 454         if (!has_vdw[1] &&
 455             !has_vdw[2] &&
 456             tmp_charge[0]  != 0 &&
 457             tmp_charge[1]  != 0 &&
 458             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1])
 459         {
 460             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 461             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolSPC;
 462             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 463             for (k = 0; k < 3; k++)
 464             {
 465                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 466                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 467             }
 468
 469             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 470             (*n_solvent_parameters)++;
 471         }
 472     }
 473     else if (nj == 4)
 474     {
 475         /* Or could it be a TIP4P?
 476          * For this we require thatn atoms 2,3,4 have charge, but not atom 1.
 477          * Only atom 1 mght have VdW.
 478          */
 479         if (!has_vdw[1] &&
 480             !has_vdw[2] &&
 481             !has_vdw[3] &&
 482             tmp_charge[0]  == 0 &&
 483             tmp_charge[1]  != 0 &&
 484             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1] &&
 485             tmp_charge[3]  != 0)
 486         {
 487             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 488             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolTIP4P;
 489             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 490             for (k = 0; k < 4; k++)
 491             {
 492                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 493                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 494             }
 495
 496             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 497             (*n_solvent_parameters)++;
 498         }
 499     }
 500
 501     *solvent_parameters_p = solvent_parameters;
 502 }
 503
 504 static void
 505 check_solvent(FILE  *                fp,
 506               const gmx_mtop_t  *    mtop,
 507               t_forcerec  *          fr,
 508               cginfo_mb_t           *cginfo_mb)
 509 {
 510     const t_block     *   cgs;
 511     const gmx_moltype_t  *molt;
 512     int                   mol, cg_mol, at_offset, am, cgm, i, nmol_ch, nmol;
 513     int                   n_solvent_parameters;
 514     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 515     int                 **cg_sp;
 516     int                   bestsp, bestsol;
 517
 518     if (debug)
 519     {
 520         fprintf(debug, "Going to determine what solvent types we have.\n");
 521     }
 522
 523     n_solvent_parameters = 0;
 524     solvent_parameters   = nullptr;
 525     /* Allocate temporary array for solvent type */
 526     snew(cg_sp, mtop->molblock.size());
 527
 528     at_offset = 0;
 529     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 530     {
 531         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 532         cgs  = &molt->cgs;
 533         /* Here we have to loop over all individual molecules
 534          * because we need to check for QMMM particles.
 535          */
 536         snew(cg_sp[mb], cginfo_mb[mb].cg_mod);
 537         nmol_ch = cginfo_mb[mb].cg_mod/cgs->nr;
 538         nmol    = mtop->molblock[mb].nmol/nmol_ch;
 539         for (mol = 0; mol < nmol_ch; mol++)
 540         {
 541             cgm = mol*cgs->nr;
 542             am  = mol*cgs->index[cgs->nr];
 543             for (cg_mol = 0; cg_mol < cgs->nr; cg_mol++)
 544             {
 545                 check_solvent_cg(molt, cg_mol, nmol,
 546                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM] ?
 547                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM]+at_offset+am : nullptr,
 548                                  &mtop->groups.grps[egcQMMM],
 549                                  fr,
 550                                  &n_solvent_parameters, &solvent_parameters,
 551                                  cginfo_mb[mb].cginfo[cgm+cg_mol],
 552                                  &cg_sp[mb][cgm+cg_mol]);
 553             }
 554         }
 555         at_offset += cgs->index[cgs->nr];
 556     }
 557
 558     /* Puh! We finished going through all charge groups.
 559      * Now find the most common solvent model.
 560      */
 561
 562     /* Most common solvent this far */
 563     bestsp = -2;
 564     for (i = 0; i < n_solvent_parameters; i++)
 565     {
 566         if (bestsp == -2 ||
 567             solvent_parameters[i].count > solvent_parameters[bestsp].count)
 568         {
 569             bestsp = i;
 570         }
 571     }
 572
 573     if (bestsp >= 0)
 574     {
 575         bestsol = solvent_parameters[bestsp].model;
 576     }
 577     else
 578     {
 579         bestsol = esolNO;
 580     }
 581
 582     fr->nWatMol = 0;
 583     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 584     {
 585         cgs  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].cgs;
 586         nmol = (mtop->molblock[mb].nmol*cgs->nr)/cginfo_mb[mb].cg_mod;
 587         for (i = 0; i < cginfo_mb[mb].cg_mod; i++)
 588         {
 589             if (cg_sp[mb][i] == bestsp)
 590             {
 591                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], bestsol);
 592                 fr->nWatMol += nmol;
 593             }
 594             else
 595             {
 596                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], esolNO);
 597             }
 598         }
 599         sfree(cg_sp[mb]);
 600     }
 601     sfree(cg_sp);
 602
 603     if (bestsol != esolNO && fp != nullptr)
 604     {
 605         fprintf(fp, "\nEnabling %s-like water optimization for %d molecules.\n\n",
 606                 esol_names[bestsol],
 607                 solvent_parameters[bestsp].count);
 608     }
 609
 610     sfree(solvent_parameters);
 611     fr->solvent_opt = bestsol;
 612 }
 613
 614 enum {
 615     acNONE = 0, acCONSTRAINT, acSETTLE
 616 };
 617
 618 static cginfo_mb_t *init_cginfo_mb(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 619                                    t_forcerec *fr, gmx_bool bNoSolvOpt,
 620                                    gmx_bool *bFEP_NonBonded,
 621                                    gmx_bool *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone)
 622 {
 623     const t_block        *cgs;
 624     const t_blocka       *excl;
 625     const gmx_moltype_t  *molt;
 626     const gmx_molblock_t *molb;
 627     cginfo_mb_t          *cginfo_mb;
 628     gmx_bool             *type_VDW;
 629     int                  *cginfo;
 630     int                   cg_offset, a_offset;
 631     int                   m, cg, a0, a1, gid, ai, j, aj, excl_nalloc;
 632     int                  *a_con;
 633     int                   ftype;
 634     int                   ia;
 635     gmx_bool              bId, *bExcl, bExclIntraAll, bExclInter, bHaveVDW, bHaveQ, bHavePerturbedAtoms;
 636
 637     snew(cginfo_mb, mtop->molblock.size());
 638
 639     snew(type_VDW, fr->ntype);
 640     for (ai = 0; ai < fr->ntype; ai++)
 641     {
 642         type_VDW[ai] = FALSE;
 643         for (j = 0; j < fr->ntype; j++)
 644         {
 645             type_VDW[ai] = type_VDW[ai] ||
 646                 fr->bBHAM ||
 647                 C6(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0 ||
 648                 C12(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0;
 649         }
 650     }
 651
 652     *bFEP_NonBonded               = FALSE;
 653     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = TRUE;
 654
 655     excl_nalloc = 10;
 656     snew(bExcl, excl_nalloc);
 657     cg_offset = 0;
 658     a_offset  = 0;
 659     for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 660     {
 661         molb = &mtop->molblock[mb];
 662         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 663         cgs  = &molt->cgs;
 664         excl = &molt->excls;
 665
 666         /* Check if the cginfo is identical for all molecules in this block.
 667          * If so, we only need an array of the size of one molecule.
 668          * Otherwise we make an array of #mol times #cgs per molecule.
 669          */
 670         bId = TRUE;
 671         for (m = 0; m < molb->nmol; m++)
 672         {
 673             int am = m*cgs->index[cgs->nr];
 674             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 675             {
 676                 a0 = cgs->index[cg];
 677                 a1 = cgs->index[cg+1];
 678                 if (getGroupType(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0) !=
 679                     getGroupType(&mtop->groups, egcENER, a_offset   +a0))
 680                 {
 681                     bId = FALSE;
 682                 }
 683                 if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM] != nullptr)
 684                 {
 685                     for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 686                     {
 687                         if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset+am+ai] !=
 688                             mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset   +ai])
 689                         {
 690                             bId = FALSE;
 691                         }
 692                     }
 693                 }
 694             }
 695         }
 696
 697         cginfo_mb[mb].cg_start = cg_offset;
 698         cginfo_mb[mb].cg_end   = cg_offset + molb->nmol*cgs->nr;
 699         cginfo_mb[mb].cg_mod   = (bId ? 1 : molb->nmol)*cgs->nr;
 700         snew(cginfo_mb[mb].cginfo, cginfo_mb[mb].cg_mod);
 701         cginfo = cginfo_mb[mb].cginfo;
 702
 703         /* Set constraints flags for constrained atoms */
 704         snew(a_con, molt->atoms.nr);
 705         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 706         {
 707             if (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT)
 708             {
 709                 int nral;
 710
 711                 nral = NRAL(ftype);
 712                 for (ia = 0; ia < molt->ilist[ftype].size(); ia += 1+nral)
 713                 {
 714                     int a;
 715
 716                     for (a = 0; a < nral; a++)
 717                     {
 718                         a_con[molt->ilist[ftype].iatoms[ia+1+a]] =
 719                             (ftype == F_SETTLE ? acSETTLE : acCONSTRAINT);
 720                     }
 721                 }
 722             }
 723         }
 724
 725         for (m = 0; m < (bId ? 1 : molb->nmol); m++)
 726         {
 727             int cgm = m*cgs->nr;
 728             int am  = m*cgs->index[cgs->nr];
 729             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 730             {
 731                 a0 = cgs->index[cg];
 732                 a1 = cgs->index[cg+1];
 733
 734                 /* Store the energy group in cginfo */
 735                 gid = getGroupType(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0);
 736                 SET_CGINFO_GID(cginfo[cgm+cg], gid);
 737
 738                 /* Check the intra/inter charge group exclusions */
 739                 if (a1-a0 > excl_nalloc)
 740                 {
 741                     excl_nalloc = a1 - a0;
 742                     srenew(bExcl, excl_nalloc);
 743                 }
 744                 /* bExclIntraAll: all intra cg interactions excluded
 745                  * bExclInter:    any inter cg interactions excluded
 746                  */
 747                 bExclIntraAll       = TRUE;
 748                 bExclInter          = FALSE;
 749                 bHaveVDW            = FALSE;
 750                 bHaveQ              = FALSE;
 751                 bHavePerturbedAtoms = FALSE;
 752                 for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 753                 {
 754                     /* Check VDW and electrostatic interactions */
 755                     bHaveVDW = bHaveVDW || (type_VDW[molt->atoms.atom[ai].type] ||
 756                                             type_VDW[molt->atoms.atom[ai].typeB]);
 757                     bHaveQ  = bHaveQ    || (molt->atoms.atom[ai].q != 0 ||
 758                                             molt->atoms.atom[ai].qB != 0);
 759
 760                     bHavePerturbedAtoms = bHavePerturbedAtoms || (PERTURBED(molt->atoms.atom[ai]) != 0);
 761
 762                     /* Clear the exclusion list for atom ai */
 763                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 764                     {
 765                         bExcl[aj-a0] = FALSE;
 766                     }
 767                     /* Loop over all the exclusions of atom ai */
 768                     for (j = excl->index[ai]; j < excl->index[ai+1]; j++)
 769                     {
 770                         aj = excl->a[j];
 771                         if (aj < a0 || aj >= a1)
 772                         {
 773                             bExclInter = TRUE;
 774                         }
 775                         else
 776                         {
 777                             bExcl[aj-a0] = TRUE;
 778                         }
 779                     }
 780                     /* Check if ai excludes a0 to a1 */
 781                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 782                     {
 783                         if (!bExcl[aj-a0])
 784                         {
 785                             bExclIntraAll = FALSE;
 786                         }
 787                     }
 788
 789                     switch (a_con[ai])
 790                     {
 791                         case acCONSTRAINT:
 792                             SET_CGINFO_CONSTR(cginfo[cgm+cg]);
 793                             break;
 794                         case acSETTLE:
 795                             SET_CGINFO_SETTLE(cginfo[cgm+cg]);
 796                             break;
 797                         default:
 798                             break;
 799                     }
 800                 }
 801                 if (bExclIntraAll)
 802                 {
 803                     SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cgm+cg]);
 804                 }
 805                 if (bExclInter)
 806                 {
 807                     SET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cgm+cg]);
 808                 }
 809                 if (a1 - a0 > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 810                 {
 811                     /* The size in cginfo is currently only read with DD */
 812                     gmx_fatal(FARGS, "A charge group has size %d which is larger than the limit of %d atoms", a1-a0, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 813                 }
 814                 if (bHaveVDW)
 815                 {
 816                     SET_CGINFO_HAS_VDW(cginfo[cgm+cg]);
 817                 }
 818                 if (bHaveQ)
 819                 {
 820                     SET_CGINFO_HAS_Q(cginfo[cgm+cg]);
 821                 }
 822                 if (bHavePerturbedAtoms && fr->efep != efepNO)
 823                 {
 824                     SET_CGINFO_FEP(cginfo[cgm+cg]);
 825                     *bFEP_NonBonded = TRUE;
 826                 }
 827                 /* Store the charge group size */
 828                 SET_CGINFO_NATOMS(cginfo[cgm+cg], a1-a0);
 829
 830                 if (!bExclIntraAll || bExclInter)
 831                 {
 832                     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = FALSE;
 833                 }
 834             }
 835         }
 836
 837         sfree(a_con);
 838
 839         cg_offset += molb->nmol*cgs->nr;
 840         a_offset  += molb->nmol*cgs->index[cgs->nr];
 841     }
 842     sfree(type_VDW);
 843     sfree(bExcl);
 844
 845     /* the solvent optimizer is called after the QM is initialized,
 846      * because we don't want to have the QM subsystemto become an
 847      * optimized solvent
 848      */
 849
 850     check_solvent(fplog, mtop, fr, cginfo_mb);
 851
 852     if (getenv("GMX_NO_SOLV_OPT"))
 853     {
 854         if (fplog)
 855         {
 856             fprintf(fplog, "Found environment variable GMX_NO_SOLV_OPT.\n"
 857                     "Disabling all solvent optimization\n");
 858         }
 859         fr->solvent_opt = esolNO;
 860     }
 861     if (bNoSolvOpt)
 862     {
 863         fr->solvent_opt = esolNO;
 864     }
 865     if (!fr->solvent_opt)
 866     {
 867         for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
 868         {
 869             for (cg = 0; cg < cginfo_mb[mb].cg_mod; cg++)
 870             {
 871                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[cg], esolNO);
 872             }
 873         }
 874     }
 875
 876     return cginfo_mb;
 877 }
 878
 879 static int *cginfo_expand(int nmb, cginfo_mb_t *cgi_mb)
 880 {
 881     int  ncg, mb, cg;
 882     int *cginfo;
 883
 884     ncg = cgi_mb[nmb-1].cg_end;
 885     snew(cginfo, ncg);
 886     mb = 0;
 887     for (cg = 0; cg < ncg; cg++)
 888     {
 889         while (cg >= cgi_mb[mb].cg_end)
 890         {
 891             mb++;
 892         }
 893         cginfo[cg] =
 894             cgi_mb[mb].cginfo[(cg - cgi_mb[mb].cg_start) % cgi_mb[mb].cg_mod];
 895     }
 896
 897     return cginfo;
 898 }
 899
 900 static void done_cginfo_mb(cginfo_mb_t *cginfo_mb, int numMolBlocks)
 901 {
 902     if (cginfo_mb == nullptr)
 903     {
 904         return;
 905     }
 906     for (int mb = 0; mb < numMolBlocks; ++mb)
 907     {
 908         sfree(cginfo_mb[mb].cginfo);
 909     }
 910     sfree(cginfo_mb);
 911 }
 912
 913 /* Sets the sum of charges (squared) and C6 in the system in fr.
 914  * Returns whether the system has a net charge.
 915  */
 916 static bool set_chargesum(FILE *log, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 917 {
 918     /*This now calculates sum for q and c6*/
 919     double         qsum, q2sum, q, c6sum, c6;
 920
 921     qsum   = 0;
 922     q2sum  = 0;
 923     c6sum  = 0;
 924     for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
 925     {
 926         int            nmol  = molb.nmol;
 927         const t_atoms *atoms = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
 928         for (int i = 0; i < atoms->nr; i++)
 929         {
 930             q       = atoms->atom[i].q;
 931             qsum   += nmol*q;
 932             q2sum  += nmol*q*q;
 933             c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 934             c6sum  += nmol*c6;
 935         }
 936     }
 937     fr->qsum[0]   = qsum;
 938     fr->q2sum[0]  = q2sum;
 939     fr->c6sum[0]  = c6sum;
 940
 941     if (fr->efep != efepNO)
 942     {
 943         qsum   = 0;
 944         q2sum  = 0;
 945         c6sum  = 0;
 946         for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
 947         {
 948             int            nmol  = molb.nmol;
 949             const t_atoms *atoms = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
 950             for (int i = 0; i < atoms->nr; i++)
 951             {
 952                 q       = atoms->atom[i].qB;
 953                 qsum   += nmol*q;
 954                 q2sum  += nmol*q*q;
 955                 c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 956                 c6sum  += nmol*c6;
 957             }
 958             fr->qsum[1]   = qsum;
 959             fr->q2sum[1]  = q2sum;
 960             fr->c6sum[1]  = c6sum;
 961         }
 962     }
 963     else
 964     {
 965         fr->qsum[1]   = fr->qsum[0];
 966         fr->q2sum[1]  = fr->q2sum[0];
 967         fr->c6sum[1]  = fr->c6sum[0];
 968     }
 969     if (log)
 970     {
 971         if (fr->efep == efepNO)
 972         {
 973             fprintf(log, "System total charge: %.3f\n", fr->qsum[0]);
 974         }
 975         else
 976         {
 977             fprintf(log, "System total charge, top. A: %.3f top. B: %.3f\n",
 978                     fr->qsum[0], fr->qsum[1]);
 979         }
 980     }
 981
 982     /* A cut-off of 1e-4 is used to catch rounding errors due to ascii input */
 983     return (std::abs(fr->qsum[0]) > 1e-4 ||
 984             std::abs(fr->qsum[1]) > 1e-4);
 985 }
 986
 987 void update_forcerec(t_forcerec *fr, matrix box)
 988 {
 989     if (fr->ic->eeltype == eelGRF)
 990     {
 991         calc_rffac(nullptr, fr->ic->eeltype, fr->ic->epsilon_r, fr->ic->epsilon_rf,
 992                    fr->ic->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
 993                    &fr->ic->k_rf, &fr->ic->c_rf);
 994     }
 995 }
 996
 997 void set_avcsixtwelve(FILE *fplog, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 998 {
 999     const t_atoms  *atoms, *atoms_tpi;
1000     const t_blocka *excl;
1001     int             nmolc, i, j, tpi, tpj, j1, j2, k, nexcl, q;
1002     int64_t         npair, npair_ij, tmpi, tmpj;
1003     double          csix, ctwelve;
1004     int             ntp, *typecount;
1005     gmx_bool        bBHAM;
1006     real           *nbfp;
1007     real           *nbfp_comb = nullptr;
1008
1009     ntp   = fr->ntype;
1010     bBHAM = fr->bBHAM;
1011     nbfp  = fr->nbfp;
1012
1013     /* For LJ-PME, we want to correct for the difference between the
1014      * actual C6 values and the C6 values used by the LJ-PME based on
1015      * combination rules. */
1016
1017     if (EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1018     {
1019         nbfp_comb = mk_nbfp_combination_rule(&mtop->ffparams,
1020                                              (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB) ? eCOMB_ARITHMETIC : eCOMB_GEOMETRIC);
1021         for (tpi = 0; tpi < ntp; ++tpi)
1022         {
1023             for (tpj = 0; tpj < ntp; ++tpj)
1024             {
1025                 C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) =
1026                     C6(nbfp, ntp, tpi, tpj) - C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj);
1027                 C12(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) = C12(nbfp, ntp, tpi, tpj);
1028             }
1029         }
1030         nbfp = nbfp_comb;
1031     }
1032     for (q = 0; q < (fr->efep == efepNO ? 1 : 2); q++)
1033     {
1034         csix    = 0;
1035         ctwelve = 0;
1036         npair   = 0;
1037         nexcl   = 0;
1038         if (!fr->n_tpi)
1039         {
1040             /* Count the types so we avoid natoms^2 operations */
1041             snew(typecount, ntp);
1042             gmx_mtop_count_atomtypes(mtop, q, typecount);
1043
1044             for (tpi = 0; tpi < ntp; tpi++)
1045             {
1046                 for (tpj = tpi; tpj < ntp; tpj++)
1047                 {
1048                     tmpi = typecount[tpi];
1049                     tmpj = typecount[tpj];
1050                     if (tpi != tpj)
1051                     {
1052                         npair_ij = tmpi*tmpj;
1053                     }
1054                     else
1055                     {
1056                         npair_ij = tmpi*(tmpi - 1)/2;
1057                     }
1058                     if (bBHAM)
1059                     {
1060                         /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1061                         csix    += npair_ij*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1062                     }
1063                     else
1064                     {
1065                         /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1066                         csix    += npair_ij*   C6(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1067                         ctwelve += npair_ij*  C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1068                     }
1069                     npair += npair_ij;
1070                 }
1071             }
1072             sfree(typecount);
1073             /* Subtract the excluded pairs.
1074              * The main reason for substracting exclusions is that in some cases
1075              * some combinations might never occur and the parameters could have
1076              * any value. These unused values should not influence the dispersion
1077              * correction.
1078              */
1079             for (const gmx_molblock_t &molb : mtop->molblock)
1080             {
1081                 int nmol = molb.nmol;
1082                 atoms    = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
1083                 excl     = &mtop->moltype[molb.type].excls;
1084                 for (int i = 0; (i < atoms->nr); i++)
1085                 {
1086                     if (q == 0)
1087                     {
1088                         tpi = atoms->atom[i].type;
1089                     }
1090                     else
1091                     {
1092                         tpi = atoms->atom[i].typeB;
1093                     }
1094                     j1  = excl->index[i];
1095                     j2  = excl->index[i+1];
1096                     for (j = j1; j < j2; j++)
1097                     {
1098                         k = excl->a[j];
1099                         if (k > i)
1100                         {
1101                             if (q == 0)
1102                             {
1103                                 tpj = atoms->atom[k].type;
1104                             }
1105                             else
1106                             {
1107                                 tpj = atoms->atom[k].typeB;
1108                             }
1109                             if (bBHAM)
1110                             {
1111                                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1112                                 csix -= nmol*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1113                             }
1114                             else
1115                             {
1116                                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1117                                 csix    -= nmol*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1118                                 ctwelve -= nmol*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1119                             }
1120                             nexcl += molb.nmol;
1121                         }
1122                     }
1123                 }
1124             }
1125         }
1126         else
1127         {
1128             /* Only correct for the interaction of the test particle
1129              * with the rest of the system.
1130              */
1131             atoms_tpi =
1132                 &mtop->moltype[mtop->molblock.back().type].atoms;
1133
1134             npair = 0;
1135             for (size_t mb = 0; mb < mtop->molblock.size(); mb++)
1136             {
1137                 const gmx_molblock_t &molb = mtop->molblock[mb];
1138                 atoms                      = &mtop->moltype[molb.type].atoms;
1139                 for (j = 0; j < atoms->nr; j++)
1140                 {
1141                     nmolc = molb.nmol;
1142                     /* Remove the interaction of the test charge group
1143                      * with itself.
1144                      */
1145                     if (mb == mtop->molblock.size() - 1)
1146                     {
1147                         nmolc--;
1148
1149                         if (mb == 0 && molb.nmol == 1)
1150                         {
1151                             gmx_fatal(FARGS, "Old format tpr with TPI, please generate a new tpr file");
1152                         }
1153                     }
1154                     if (q == 0)
1155                     {
1156                         tpj = atoms->atom[j].type;
1157                     }
1158                     else
1159                     {
1160                         tpj = atoms->atom[j].typeB;
1161                     }
1162                     for (i = 0; i < fr->n_tpi; i++)
1163                     {
1164                         if (q == 0)
1165                         {
1166                             tpi = atoms_tpi->atom[i].type;
1167                         }
1168                         else
1169                         {
1170                             tpi = atoms_tpi->atom[i].typeB;
1171                         }
1172                         if (bBHAM)
1173                         {
1174                             /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1175                             csix    += nmolc*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1176                         }
1177                         else
1178                         {
1179                             /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1180                             csix    += nmolc*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1181                             ctwelve += nmolc*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1182                         }
1183                         npair += nmolc;
1184                     }
1185                 }
1186             }
1187         }
1188         if (npair - nexcl <= 0 && fplog)
1189         {
1190             fprintf(fplog, "\nWARNING: There are no atom pairs for dispersion correction\n\n");
1191             csix     = 0;
1192             ctwelve  = 0;
1193         }
1194         else
1195         {
1196             csix    /= npair - nexcl;
1197             ctwelve /= npair - nexcl;
1198         }
1199         if (debug)
1200         {
1201             fprintf(debug, "Counted %d exclusions\n", nexcl);
1202             fprintf(debug, "Average C6 parameter is: %10g\n", csix);
1203             fprintf(debug, "Average C12 parameter is: %10g\n", ctwelve);
1204         }
1205         fr->avcsix[q]    = csix;
1206         fr->avctwelve[q] = ctwelve;
1207     }
1208
1209     if (EVDW_PME(fr->ic->vdwtype))
1210     {
1211         sfree(nbfp_comb);
1212     }
1213
1214     if (fplog != nullptr)
1215     {
1216         if (fr->eDispCorr == edispcAllEner ||
1217             fr->eDispCorr == edispcAllEnerPres)
1218         {
1219             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e, <C12> %10.4e\n",
1220                     fr->avcsix[0], fr->avctwelve[0]);
1221         }
1222         else
1223         {
1224             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e\n", fr->avcsix[0]);
1225         }
1226     }
1227 }
1228
1229
1230 static real calcBuckinghamBMax(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop)
1231 {
1232     const t_atoms *at1, *at2;
1233     int            i, j, tpi, tpj, ntypes;
1234     real           b, bmin;
1235
1236     if (fplog)
1237     {
1238         fprintf(fplog, "Determining largest Buckingham b parameter for table\n");
1239     }
1240     ntypes = mtop->ffparams.atnr;
1241
1242     bmin            = -1;
1243     real bham_b_max = 0;
1244     for (size_t mt1 = 0; mt1 < mtop->moltype.size(); mt1++)
1245     {
1246         at1 = &mtop->moltype[mt1].atoms;
1247         for (i = 0; (i < at1->nr); i++)
1248         {
1249             tpi = at1->atom[i].type;
1250             if (tpi >= ntypes)
1251             {
1252                 gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", i, tpi, ntypes);
1253             }
1254
1255             for (size_t mt2 = mt1; mt2 < mtop->moltype.size(); mt2++)
1256             {
1257                 at2 = &mtop->moltype[mt2].atoms;
1258                 for (j = 0; (j < at2->nr); j++)
1259                 {
1260                     tpj = at2->atom[j].type;
1261                     if (tpj >= ntypes)
1262                     {
1263                         gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", j, tpj, ntypes);
1264                     }
1265                     b = mtop->ffparams.iparams[tpi*ntypes + tpj].bham.b;
1266                     if (b > bham_b_max)
1267                     {
1268                         bham_b_max = b;
1269                     }
1270                     if ((b < bmin) || (bmin == -1))
1271                     {
1272                         bmin = b;
1273                     }
1274                 }
1275             }
1276         }
1277     }
1278     if (fplog)
1279     {
1280         fprintf(fplog, "Buckingham b parameters, min: %g, max: %g\n",
1281                 bmin, bham_b_max);
1282     }
1283
1284     return bham_b_max;
1285 }
1286
1287 static void make_nbf_tables(FILE *fp,
1288                             const interaction_const_t *ic, real rtab,
1289                             const char *tabfn, char *eg1, char *eg2,
1290                             t_nblists *nbl)
1291 {
1292     char buf[STRLEN];
1293     int  i, j;
1294
1295     if (tabfn == nullptr)
1296     {
1297         if (debug)
1298         {
1299             fprintf(debug, "No table file name passed, can not read table, can not do non-bonded interactions\n");
1300         }
1301         return;
1302     }
1303
1304     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1305     if (eg1 && eg2)
1306     {
1307         /* Append the two energy group names */
1308         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s_%s.%s",
1309                 eg1, eg2, ftp2ext(efXVG));
1310     }
1311     nbl->table_elec_vdw = make_tables(fp, ic, buf, rtab, 0);
1312     /* Copy the contents of the table to separate coulomb and LJ tables too,
1313      * to improve cache performance.
1314      */
1315     /* For performance reasons we want
1316      * the table data to be aligned to 16-byte. The pointers could be freed
1317      * but currently aren't.
1318      */
1319     snew(nbl->table_elec, 1);
1320     nbl->table_elec->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_ELEC;
1321     nbl->table_elec->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1322     nbl->table_elec->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1323     nbl->table_elec->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1324     nbl->table_elec->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1325     nbl->table_elec->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1326     nbl->table_elec->ninteractions = 1;
1327     nbl->table_elec->stride        = nbl->table_elec->formatsize * nbl->table_elec->ninteractions;
1328     snew_aligned(nbl->table_elec->data, nbl->table_elec->stride*(nbl->table_elec->n+1), 32);
1329
1330     snew(nbl->table_vdw, 1);
1331     nbl->table_vdw->interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_VDWREP_VDWDISP;
1332     nbl->table_vdw->format        = nbl->table_elec_vdw->format;
1333     nbl->table_vdw->r             = nbl->table_elec_vdw->r;
1334     nbl->table_vdw->n             = nbl->table_elec_vdw->n;
1335     nbl->table_vdw->scale         = nbl->table_elec_vdw->scale;
1336     nbl->table_vdw->formatsize    = nbl->table_elec_vdw->formatsize;
1337     nbl->table_vdw->ninteractions = 2;
1338     nbl->table_vdw->stride        = nbl->table_vdw->formatsize * nbl->table_vdw->ninteractions;
1339     snew_aligned(nbl->table_vdw->data, nbl->table_vdw->stride*(nbl->table_vdw->n+1), 32);
1340
1341     /* NOTE: Using a single i-loop here leads to mix-up of data in table_vdw
1342      *       with (at least) gcc 6.2, 6.3 and 6.4 when compiled with -O3 and AVX
1343      */
1344     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
1345     {
1346         for (j = 0; j < 4; j++)
1347         {
1348             nbl->table_elec->data[4*i+j] = nbl->table_elec_vdw->data[12*i+j];
1349         }
1350     }
1351     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw->n; i++)
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     int                  ftype, i, j, tabnr;
1377
1378     // Loop over all moleculetypes
1379     for (const gmx_moltype_t &molt : mtop->moltype)
1380     {
1381         // Loop over all interaction types
1382         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1383         {
1384             // If the current interaction type is one of the types whose tables we're trying to count...
1385             if (ftype == ftype1 || ftype == ftype2)
1386             {
1387                 const InteractionList &il     = molt.ilist[ftype];
1388                 const int              stride = 1 + NRAL(ftype);
1389                 // ... and there are actually some interactions for this type
1390                 for (i = 0; i < il.size(); i += stride)
1391                 {
1392                     // Find out which table index the user wanted
1393                     tabnr = mtop->ffparams.iparams[il.iatoms[i]].tab.table;
1394                     if (tabnr < 0)
1395                     {
1396                         gmx_fatal(FARGS, "A bonded table number is smaller than 0: %d\n", tabnr);
1397                     }
1398                     // Make room for this index in the data structure
1399                     if (tabnr >= *ncount)
1400                     {
1401                         srenew(*count, tabnr+1);
1402                         for (j = *ncount; j < tabnr+1; j++)
1403                         {
1404                             (*count)[j] = 0;
1405                         }
1406                         *ncount = tabnr+1;
1407                     }
1408                     // Record that this table index is used and must have a valid file
1409                     (*count)[tabnr]++;
1410                 }
1411             }
1412         }
1413     }
1414 }
1415
1416 /*!\brief If there's bonded interactions of flavour \c tabext and type
1417  * \c ftype1 or \c ftype2 present in the topology, seek them in the
1418  * list of filenames passed to mdrun, and make bonded tables from
1419  * those files.
1420  *
1421  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1422  * valid type with that parameter.
1423  *
1424  * A fatal error occurs if no matching filename is found.
1425  */
1426 static bondedtable_t *make_bonded_tables(FILE *fplog,
1427                                          int ftype1, int ftype2,
1428                                          const gmx_mtop_t *mtop,
1429                                          gmx::ArrayRef<const std::string> tabbfnm,
1430                                          const char *tabext)
1431 {
1432     int            ncount, *count;
1433     bondedtable_t *tab;
1434
1435     tab = nullptr;
1436
1437     ncount = 0;
1438     count  = nullptr;
1439     count_tables(ftype1, ftype2, mtop, &ncount, &count);
1440
1441     // Are there any relevant tabulated bond interactions?
1442     if (ncount > 0)
1443     {
1444         snew(tab, ncount);
1445         for (int i = 0; i < ncount; i++)
1446         {
1447             // Do any interactions exist that requires this table?
1448             if (count[i] > 0)
1449             {
1450                 // This pattern enforces the current requirement that
1451                 // table filenames end in a characteristic sequence
1452                 // before the file type extension, and avoids table 13
1453                 // being recognized and used for table 1.
1454                 std::string patternToFind = gmx::formatString("_%s%d.%s", tabext, i, ftp2ext(efXVG));
1455                 bool        madeTable     = false;
1456                 for (gmx::index j = 0; j < tabbfnm.size() && !madeTable; ++j)
1457                 {
1458                     if (gmx::endsWith(tabbfnm[j], patternToFind))
1459                     {
1460                         // Finally read the table from the file found
1461                         tab[i]    = make_bonded_table(fplog, tabbfnm[j].c_str(), NRAL(ftype1)-2);
1462                         madeTable = true;
1463                     }
1464                 }
1465                 if (!madeTable)
1466                 {
1467                     bool isPlural = (ftype2 != -1);
1468                     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.",
1469                               interaction_function[ftype1].longname,
1470                               isPlural ? "' or '" : "",
1471                               isPlural ? interaction_function[ftype2].longname : "",
1472                               i,
1473                               patternToFind.c_str());
1474                 }
1475             }
1476         }
1477         sfree(count);
1478     }
1479
1480     return tab;
1481 }
1482
1483 void forcerec_set_ranges(t_forcerec *fr,
1484                          int ncg_home, int ncg_force,
1485                          int natoms_force,
1486                          int natoms_force_constr, int natoms_f_novirsum)
1487 {
1488     fr->cg0 = 0;
1489     fr->hcg = ncg_home;
1490
1491     /* fr->ncg_force is unused in the standard code,
1492      * but it can be useful for modified code dealing with charge groups.
1493      */
1494     fr->ncg_force           = ncg_force;
1495     fr->natoms_force        = natoms_force;
1496     fr->natoms_force_constr = natoms_force_constr;
1497
1498     if (fr->natoms_force_constr > fr->nalloc_force)
1499     {
1500         fr->nalloc_force = over_alloc_dd(fr->natoms_force_constr);
1501     }
1502
1503     if (fr->haveDirectVirialContributions)
1504     {
1505         fr->forceBufferForDirectVirialContributions->resize(natoms_f_novirsum);
1506     }
1507 }
1508
1509 static real cutoff_inf(real cutoff)
1510 {
1511     if (cutoff == 0)
1512     {
1513         cutoff = GMX_CUTOFF_INF;
1514     }
1515
1516     return cutoff;
1517 }
1518
1519 gmx_bool can_use_allvsall(const t_inputrec *ir, gmx_bool bPrintNote, const t_commrec *cr, FILE *fp)
1520 {
1521     gmx_bool bAllvsAll;
1522
1523     bAllvsAll =
1524         (
1525             ir->rlist == 0            &&
1526             ir->rcoulomb == 0         &&
1527             ir->rvdw == 0             &&
1528             ir->ePBC == epbcNONE      &&
1529             ir->vdwtype == evdwCUT    &&
1530             ir->coulombtype == eelCUT &&
1531             ir->efep == efepNO        &&
1532             getenv("GMX_NO_ALLVSALL") == nullptr
1533         );
1534
1535     if (bAllvsAll && ir->opts.ngener > 1)
1536     {
1537         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";
1538
1539         if (bPrintNote)
1540         {
1541             if (fp != nullptr)
1542             {
1543                 fprintf(fp, "\n%s\n", note);
1544             }
1545         }
1546         bAllvsAll = FALSE;
1547     }
1548
1549     if (bAllvsAll && fp && MASTER(cr))
1550     {
1551         fprintf(fp, "\nUsing SIMD all-vs-all kernels.\n\n");
1552     }
1553
1554     return bAllvsAll;
1555 }
1556
1557
1558 gmx_bool nbnxn_simd_supported(const gmx::MDLogger &mdlog,
1559                               const t_inputrec    *ir)
1560 {
1561     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1562     {
1563         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1564          * This so slow that we don't compile SIMD non-bonded kernels
1565          * for that. */
1566         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with SIMD kernels, falling back to plain C kernels");
1567         return FALSE;
1568     }
1569
1570     return TRUE;
1571 }
1572
1573
1574 static void pick_nbnxn_kernel_cpu(const t_inputrec gmx_unused    *ir,
1575                                   int                            *kernel_type,
1576                                   int                            *ewald_excl,
1577                                   const gmx_hw_info_t gmx_unused &hardwareInfo)
1578 {
1579     *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1580     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1581
1582 #if GMX_SIMD
1583     {
1584 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1585         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1586 #endif
1587 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1588         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1589 #endif
1590
1591 #if defined GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && defined GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1592         /* We need to choose if we want 2x(N+N) or 4xN kernels.
1593          * This is based on the SIMD acceleration choice and CPU information
1594          * detected at runtime.
1595          *
1596          * 4xN calculates more (zero) interactions, but has less pair-search
1597          * work and much better kernel instruction scheduling.
1598          *
1599          * Up till now we have only seen that on Intel Sandy/Ivy Bridge,
1600          * which doesn't have FMA, both the analytical and tabulated Ewald
1601          * kernels have similar pair rates for 4x8 and 2x(4+4), so we choose
1602          * 2x(4+4) because it results in significantly fewer pairs.
1603          * For RF, the raw pair rate of the 4x8 kernel is higher than 2x(4+4),
1604          * 10% with HT, 50% without HT. As we currently don't detect the actual
1605          * use of HT, use 4x8 to avoid a potential performance hit.
1606          * On Intel Haswell 4x8 is always faster.
1607          */
1608         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1609
1610 #if !GMX_SIMD_HAVE_FMA
1611         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) ||
1612             EVDW_PME(ir->vdwtype))
1613         {
1614             /* We have Ewald kernels without FMA (Intel Sandy/Ivy Bridge).
1615              * There are enough instructions to make 2x(4+4) efficient.
1616              */
1617             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1618         }
1619 #endif
1620         if (hardwareInfo.haveAmdZen1Cpu)
1621         {
1622             /* One 256-bit FMA per cycle makes 2xNN faster */
1623             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1624         }
1625 #endif  /* GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && GMX_NBNXN_SIMD_4XN */
1626
1627
1628         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_4XN") != nullptr)
1629         {
1630 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1631             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1632 #else
1633             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 4xN kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1634 #endif
1635         }
1636         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_2XNN") != nullptr)
1637         {
1638 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1639             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1640 #else
1641             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 2x(N+N) kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1642 #endif
1643         }
1644
1645         /* Analytical Ewald exclusion correction is only an option in
1646          * the SIMD kernel.
1647          * Since table lookup's don't parallelize with SIMD, analytical
1648          * will probably always be faster for a SIMD width of 8 or more.
1649          * With FMA analytical is sometimes faster for a width if 4 as well.
1650          * In single precision, this is faster on Bulldozer.
1651          */
1652 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 8 || \
1653         (GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 4 && GMX_SIMD_HAVE_FMA && !GMX_DOUBLE)
1654         /* On AMD Zen, tabulated Ewald kernels are faster on all 4 combinations
1655          * of single or double precision and 128 or 256-bit AVX2.
1656          */
1657         if (!hardwareInfo.haveAmdZen1Cpu)
1658         {
1659             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1660         }
1661 #endif
1662         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_TABLE") != nullptr)
1663         {
1664             *ewald_excl = ewaldexclTable;
1665         }
1666         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_ANALYTICAL") != nullptr)
1667         {
1668             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1669         }
1670
1671     }
1672 #endif // GMX_SIMD
1673 }
1674
1675
1676 const char *lookup_nbnxn_kernel_name(int kernel_type)
1677 {
1678     const char *returnvalue = nullptr;
1679     switch (kernel_type)
1680     {
1681         case nbnxnkNotSet:
1682             returnvalue = "not set";
1683             break;
1684         case nbnxnk4x4_PlainC:
1685             returnvalue = "plain C";
1686             break;
1687         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
1688         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
1689 #if GMX_SIMD
1690             returnvalue = "SIMD";
1691 #else  // GMX_SIMD
1692             returnvalue = "not available";
1693 #endif // GMX_SIMD
1694             break;
1695         case nbnxnk8x8x8_GPU: returnvalue    = "GPU"; break;
1696         case nbnxnk8x8x8_PlainC: returnvalue = "plain C"; break;
1697
1698         case nbnxnkNR:
1699         default:
1700             gmx_fatal(FARGS, "Illegal kernel type selected");
1701     }
1702     return returnvalue;
1703 };
1704
1705 static void pick_nbnxn_kernel(const gmx::MDLogger &mdlog,
1706                               gmx_bool             use_simd_kernels,
1707                               const gmx_hw_info_t &hardwareInfo,
1708                               gmx_bool             bUseGPU,
1709                               EmulateGpuNonbonded  emulateGpu,
1710                               const t_inputrec    *ir,
1711                               int                 *kernel_type,
1712                               int                 *ewald_excl,
1713                               gmx_bool             bDoNonbonded)
1714 {
1715     assert(kernel_type);
1716
1717     *kernel_type = nbnxnkNotSet;
1718     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1719
1720     if (emulateGpu == EmulateGpuNonbonded::Yes)
1721     {
1722         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_PlainC;
1723
1724         if (bDoNonbonded)
1725         {
1726             GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("Emulating a GPU run on the CPU (slow)");
1727         }
1728     }
1729     else if (bUseGPU)
1730     {
1731         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_GPU;
1732     }
1733
1734     if (*kernel_type == nbnxnkNotSet)
1735     {
1736         if (use_simd_kernels &&
1737             nbnxn_simd_supported(mdlog, ir))
1738         {
1739             pick_nbnxn_kernel_cpu(ir, kernel_type, ewald_excl, hardwareInfo);
1740         }
1741         else
1742         {
1743             *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1744         }
1745     }
1746
1747     if (bDoNonbonded)
1748     {
1749         GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().appendTextFormatted(
1750                 "Using %s %dx%d nonbonded short-range kernels",
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 /*! \brief Print Coulomb Ewald citations and set ewald coefficients */
1767 static void initCoulombEwaldParameters(FILE *fp, const t_inputrec *ir,
1768                                        bool systemHasNetCharge,
1769                                        interaction_const_t *ic)
1770 {
1771     if (!EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype))
1772     {
1773         return;
1774     }
1775
1776     if (fp)
1777     {
1778         fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for electrostatic interactions.\n");
1779
1780         if (ir->coulombtype == eelP3M_AD)
1781         {
1782             please_cite(fp, "Hockney1988");
1783             please_cite(fp, "Ballenegger2012");
1784         }
1785         else
1786         {
1787             please_cite(fp, "Essmann95a");
1788         }
1789
1790         if (ir->ewald_geometry == eewg3DC)
1791         {
1792             if (fp)
1793             {
1794                 fprintf(fp, "Using the Ewald3DC correction for systems with a slab geometry%s.\n",
1795                         systemHasNetCharge ? " and net charge" : "");
1796             }
1797             please_cite(fp, "In-Chul99a");
1798             if (systemHasNetCharge)
1799             {
1800                 please_cite(fp, "Ballenegger2009");
1801             }
1802         }
1803     }
1804
1805     ic->ewaldcoeff_q = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
1806     if (fp)
1807     {
1808         fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for Ewald\n",
1809                 1/ic->ewaldcoeff_q);
1810     }
1811
1812     if (ic->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1813     {
1814         GMX_RELEASE_ASSERT(ic->rcoulomb != 0, "Cutoff radius cannot be zero");
1815         ic->sh_ewald = std::erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb) / ic->rcoulomb;
1816     }
1817     else
1818     {
1819         ic->sh_ewald = 0;
1820     }
1821 }
1822
1823 /*! \brief Print Van der Waals Ewald citations and set ewald coefficients */
1824 static void initVdwEwaldParameters(FILE *fp, const t_inputrec *ir,
1825                                    interaction_const_t *ic)
1826 {
1827     if (!EVDW_PME(ir->vdwtype))
1828     {
1829         return;
1830     }
1831
1832     if (fp)
1833     {
1834         fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for LJ dispersion interactions.\n");
1835         please_cite(fp, "Essmann95a");
1836     }
1837     ic->ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
1838     if (fp)
1839     {
1840         fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for LJ Ewald\n",
1841                 1/ic->ewaldcoeff_lj);
1842     }
1843
1844     if (ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)
1845     {
1846         real crc2       = gmx::square(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
1847         ic->sh_lj_ewald = (std::exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)/gmx::power6(ic->rvdw);
1848     }
1849     else
1850     {
1851         ic->sh_lj_ewald = 0;
1852     }
1853 }
1854
1855 gmx_bool uses_simple_tables(int                 cutoff_scheme,
1856                             nonbonded_verlet_t *nbv,
1857                             int                 group)
1858 {
1859     gmx_bool bUsesSimpleTables = TRUE;
1860     int      grp_index;
1861
1862     switch (cutoff_scheme)
1863     {
1864         case ecutsGROUP:
1865             bUsesSimpleTables = TRUE;
1866             break;
1867         case ecutsVERLET:
1868             assert(nullptr != nbv);
1869             grp_index         = (group < 0) ? 0 : (nbv->ngrp - 1);
1870             bUsesSimpleTables = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[grp_index].kernel_type);
1871             break;
1872         default:
1873             gmx_incons("unimplemented");
1874     }
1875     return bUsesSimpleTables;
1876 }
1877
1878 static void init_ewald_f_table(interaction_const_t *ic,
1879                                real                 rtab)
1880 {
1881     real maxr;
1882
1883     /* Get the Ewald table spacing based on Coulomb and/or LJ
1884      * Ewald coefficients and rtol.
1885      */
1886     ic->tabq_scale = ewald_spline3_table_scale(ic);
1887
1888     if (ic->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1889     {
1890         maxr = ic->rcoulomb;
1891     }
1892     else
1893     {
1894         maxr = std::max(ic->rcoulomb, rtab);
1895     }
1896     ic->tabq_size  = static_cast<int>(maxr*ic->tabq_scale) + 2;
1897
1898     sfree_aligned(ic->tabq_coul_FDV0);
1899     sfree_aligned(ic->tabq_coul_F);
1900     sfree_aligned(ic->tabq_coul_V);
1901
1902     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0);
1903     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_F);
1904     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_V);
1905
1906     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype))
1907     {
1908         /* Create the original table data in FDV0 */
1909         snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1910         snew_aligned(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_size, 32);
1911         snew_aligned(ic->tabq_coul_V, ic->tabq_size, 32);
1912         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_coul_V, ic->tabq_coul_FDV0,
1913                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_q, v_q_ewald_lr);
1914     }
1915
1916     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1917     {
1918         snew_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1919         snew_aligned(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_size, 32);
1920         snew_aligned(ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_size, 32);
1921         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_vdw_FDV0,
1922                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_lj, v_lj_ewald_lr);
1923     }
1924 }
1925
1926 void init_interaction_const_tables(FILE                *fp,
1927                                    interaction_const_t *ic,
1928                                    real                 rtab)
1929 {
1930     if (EEL_PME_EWALD(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype))
1931     {
1932         init_ewald_f_table(ic, rtab);
1933
1934         if (fp != nullptr)
1935         {
1936             fprintf(fp, "Initialized non-bonded Ewald correction tables, spacing: %.2e size: %d\n\n",
1937                     1/ic->tabq_scale, ic->tabq_size);
1938         }
1939     }
1940 }
1941
1942 static void clear_force_switch_constants(shift_consts_t *sc)
1943 {
1944     sc->c2   = 0;
1945     sc->c3   = 0;
1946     sc->cpot = 0;
1947 }
1948
1949 static void force_switch_constants(real p,
1950                                    real rsw, real rc,
1951                                    shift_consts_t *sc)
1952 {
1953     /* Here we determine the coefficient for shifting the force to zero
1954      * between distance rsw and the cut-off rc.
1955      * For a potential of r^-p, we have force p*r^-(p+1).
1956      * But to save flops we absorb p in the coefficient.
1957      * Thus we get:
1958      * force/p   = r^-(p+1) + c2*r^2 + c3*r^3
1959      * potential = r^-p + c2/3*r^3 + c3/4*r^4 + cpot
1960      */
1961     sc->c2   =  ((p + 1)*rsw - (p + 4)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::square(rc - rsw));
1962     sc->c3   = -((p + 1)*rsw - (p + 3)*rc)/(pow(rc, p + 2)*gmx::power3(rc - rsw));
1963     sc->cpot = -pow(rc, -p) + p*sc->c2/3*gmx::power3(rc - rsw) + p*sc->c3/4*gmx::power4(rc - rsw);
1964 }
1965
1966 static void potential_switch_constants(real rsw, real rc,
1967                                        switch_consts_t *sc)
1968 {
1969     /* The switch function is 1 at rsw and 0 at rc.
1970      * The derivative and second derivate are zero at both ends.
1971      * rsw        = max(r - r_switch, 0)
1972      * sw         = 1 + c3*rsw^3 + c4*rsw^4 + c5*rsw^5
1973      * dsw        = 3*c3*rsw^2 + 4*c4*rsw^3 + 5*c5*rsw^4
1974      * force      = force*dsw - potential*sw
1975      * potential *= sw
1976      */
1977     sc->c3 = -10/gmx::power3(rc - rsw);
1978     sc->c4 =  15/gmx::power4(rc - rsw);
1979     sc->c5 =  -6/gmx::power5(rc - rsw);
1980 }
1981
1982 /*! \brief Construct interaction constants
1983  *
1984  * This data is used (particularly) by search and force code for
1985  * short-range interactions. Many of these are constant for the whole
1986  * simulation; some are constant only after PME tuning completes.
1987  */
1988 static void
1989 init_interaction_const(FILE                       *fp,
1990                        interaction_const_t       **interaction_const,
1991                        const t_inputrec           *ir,
1992                        const gmx_mtop_t           *mtop,
1993                        bool                        systemHasNetCharge)
1994 {
1995     interaction_const_t *ic;
1996
1997     snew(ic, 1);
1998
1999     ic->cutoff_scheme   = ir->cutoff_scheme;
2000
2001     /* Just allocate something so we can free it */
2002     snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, 16, 32);
2003     snew_aligned(ic->tabq_coul_F, 16, 32);
2004     snew_aligned(ic->tabq_coul_V, 16, 32);
2005
2006     /* Lennard-Jones */
2007     ic->vdwtype         = ir->vdwtype;
2008     ic->vdw_modifier    = ir->vdw_modifier;
2009     ic->reppow          = mtop->ffparams.reppow;
2010     ic->rvdw            = cutoff_inf(ir->rvdw);
2011     ic->rvdw_switch     = ir->rvdw_switch;
2012     ic->ljpme_comb_rule = ir->ljpme_combination_rule;
2013     ic->useBuckingham   = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2014     if (ic->useBuckingham)
2015     {
2016         ic->buckinghamBMax = calcBuckinghamBMax(fp, mtop);
2017     }
2018
2019     initVdwEwaldParameters(fp, ir, ic);
2020
2021     clear_force_switch_constants(&ic->dispersion_shift);
2022     clear_force_switch_constants(&ic->repulsion_shift);
2023
2024     switch (ic->vdw_modifier)
2025     {
2026         case eintmodPOTSHIFT:
2027             /* Only shift the potential, don't touch the force */
2028             ic->dispersion_shift.cpot = -1.0/gmx::power6(ic->rvdw);
2029             ic->repulsion_shift.cpot  = -1.0/gmx::power12(ic->rvdw);
2030             break;
2031         case eintmodFORCESWITCH:
2032             /* Switch the force, switch and shift the potential */
2033             force_switch_constants(6.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2034                                    &ic->dispersion_shift);
2035             force_switch_constants(12.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2036                                    &ic->repulsion_shift);
2037             break;
2038         case eintmodPOTSWITCH:
2039             /* Switch the potential and force */
2040             potential_switch_constants(ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2041                                        &ic->vdw_switch);
2042             break;
2043         case eintmodNONE:
2044         case eintmodEXACTCUTOFF:
2045             /* Nothing to do here */
2046             break;
2047         default:
2048             gmx_incons("unimplemented potential modifier");
2049     }
2050
2051     ic->sh_invrc6 = -ic->dispersion_shift.cpot;
2052
2053     /* Electrostatics */
2054     ic->eeltype          = ir->coulombtype;
2055     ic->coulomb_modifier = ir->coulomb_modifier;
2056     ic->rcoulomb         = cutoff_inf(ir->rcoulomb);
2057     ic->rcoulomb_switch  = ir->rcoulomb_switch;
2058     ic->epsilon_r        = ir->epsilon_r;
2059
2060     /* Set the Coulomb energy conversion factor */
2061     if (ic->epsilon_r != 0)
2062     {
2063         ic->epsfac = ONE_4PI_EPS0/ic->epsilon_r;
2064     }
2065     else
2066     {
2067         /* eps = 0 is infinite dieletric: no Coulomb interactions */
2068         ic->epsfac = 0;
2069     }
2070
2071     /* Reaction-field */
2072     if (EEL_RF(ic->eeltype))
2073     {
2074         ic->epsilon_rf = ir->epsilon_rf;
2075         /* Generalized reaction field parameters are updated every step */
2076         if (ic->eeltype != eelGRF)
2077         {
2078             calc_rffac(fp, ic->eeltype, ic->epsilon_r, ic->epsilon_rf,
2079                        ic->rcoulomb, 0, 0, nullptr,
2080                        &ic->k_rf, &ic->c_rf);
2081         }
2082
2083         if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP && ic->eeltype == eelRF_ZERO)
2084         {
2085             /* grompp should have done this, but this scheme is obsolete */
2086             ic->coulomb_modifier = eintmodEXACTCUTOFF;
2087         }
2088     }
2089     else
2090     {
2091         /* For plain cut-off we might use the reaction-field kernels */
2092         ic->epsilon_rf = ic->epsilon_r;
2093         ic->k_rf       = 0;
2094         if (ir->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2095         {
2096             ic->c_rf   = 1/ic->rcoulomb;
2097         }
2098         else
2099         {
2100             ic->c_rf   = 0;
2101         }
2102     }
2103
2104     initCoulombEwaldParameters(fp, ir, systemHasNetCharge, ic);
2105
2106     if (fp != nullptr)
2107     {
2108         real dispersion_shift;
2109
2110         dispersion_shift = ic->dispersion_shift.cpot;
2111         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2112         {
2113             dispersion_shift -= ic->sh_lj_ewald;
2114         }
2115         fprintf(fp, "Potential shift: LJ r^-12: %.3e r^-6: %.3e",
2116                 ic->repulsion_shift.cpot, dispersion_shift);
2117
2118         if (ic->eeltype == eelCUT)
2119         {
2120             fprintf(fp, ", Coulomb %.e", -ic->c_rf);
2121         }
2122         else if (EEL_PME(ic->eeltype))
2123         {
2124             fprintf(fp, ", Ewald %.3e", -ic->sh_ewald);
2125         }
2126         fprintf(fp, "\n");
2127     }
2128
2129     *interaction_const = ic;
2130 }
2131
2132 static void
2133 done_interaction_const(interaction_const_t *interaction_const)
2134 {
2135     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_FDV0);
2136     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_F);
2137     sfree_aligned(interaction_const->tabq_coul_V);
2138     sfree(interaction_const);
2139 }
2140
2141 static void init_nb_verlet(const gmx::MDLogger     &mdlog,
2142                            nonbonded_verlet_t     **nb_verlet,
2143                            gmx_bool                 bFEP_NonBonded,
2144                            const t_inputrec        *ir,
2145                            const t_forcerec        *fr,
2146                            const t_commrec         *cr,
2147                            const gmx_hw_info_t     &hardwareInfo,
2148                            const gmx_device_info_t *deviceInfo,
2149                            const gmx_mtop_t        *mtop,
2150                            matrix                   box)
2151 {
2152     nonbonded_verlet_t *nbv;
2153     char               *env;
2154
2155     nbnxn_alloc_t      *nb_alloc;
2156     nbnxn_free_t       *nb_free;
2157
2158     nbv = new nonbonded_verlet_t();
2159
2160     nbv->emulateGpu = ((getenv("GMX_EMULATE_GPU") != nullptr) ? EmulateGpuNonbonded::Yes : EmulateGpuNonbonded::No);
2161     nbv->bUseGPU    = deviceInfo != nullptr;
2162
2163     GMX_RELEASE_ASSERT(!(nbv->emulateGpu == EmulateGpuNonbonded::Yes && nbv->bUseGPU), "When GPU emulation is active, there cannot be a GPU assignment");
2164
2165     nbv->nbs             = nullptr;
2166     nbv->min_ci_balanced = 0;
2167
2168     nbv->ngrp = (DOMAINDECOMP(cr) ? 2 : 1);
2169     for (int i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2170     {
2171         nbv->grp[i].nbl_lists.nnbl = 0;
2172         nbv->grp[i].kernel_type    = nbnxnkNotSet;
2173
2174         if (i == 0) /* local */
2175         {
2176             pick_nbnxn_kernel(mdlog, fr->use_simd_kernels, hardwareInfo,
2177                               nbv->bUseGPU, nbv->emulateGpu, ir,
2178                               &nbv->grp[i].kernel_type,
2179                               &nbv->grp[i].ewald_excl,
2180                               fr->bNonbonded);
2181         }
2182         else /* non-local */
2183         {
2184             /* Use the same kernel for local and non-local interactions */
2185             nbv->grp[i].kernel_type = nbv->grp[0].kernel_type;
2186             nbv->grp[i].ewald_excl  = nbv->grp[0].ewald_excl;
2187         }
2188     }
2189
2190     nbv->listParams = gmx::compat::make_unique<NbnxnListParameters>(ir->rlist);
2191     setupDynamicPairlistPruning(mdlog, ir, mtop, box, nbv->grp[0].kernel_type, fr->ic,
2192                                 nbv->listParams.get());
2193
2194     nbv->nbs = gmx::compat::make_unique<nbnxn_search>(DOMAINDECOMP(cr) ? &cr->dd->nc : nullptr,
2195                                                       DOMAINDECOMP(cr) ? domdec_zones(cr->dd) : nullptr,
2196                                                       bFEP_NonBonded,
2197                                                       gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch));
2198
2199     gpu_set_host_malloc_and_free(nbv->grp[0].kernel_type == nbnxnk8x8x8_GPU,
2200                                  &nb_alloc, &nb_free);
2201
2202     for (int i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2203     {
2204         nbnxn_init_pairlist_set(&nbv->grp[i].nbl_lists,
2205                                 nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2206                                 /* 8x8x8 "non-simple" lists are ATM always combined */
2207                                 !nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2208                                 nb_alloc, nb_free);
2209     }
2210
2211     int      enbnxninitcombrule;
2212     if (fr->ic->vdwtype == evdwCUT &&
2213         (fr->ic->vdw_modifier == eintmodNONE ||
2214          fr->ic->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) &&
2215         getenv("GMX_NO_LJ_COMB_RULE") == nullptr)
2216     {
2217         /* Plain LJ cut-off: we can optimize with combination rules */
2218         enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleDETECT;
2219     }
2220     else if (fr->ic->vdwtype == evdwPME)
2221     {
2222         /* LJ-PME: we need to use a combination rule for the grid */
2223         if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeGEOM)
2224         {
2225             enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleGEOM;
2226         }
2227         else
2228         {
2229             enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleLB;
2230         }
2231     }
2232     else
2233     {
2234         /* We use a full combination matrix: no rule required */
2235         enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleNONE;
2236     }
2237
2238     snew(nbv->nbat, 1);
2239     int mimimumNumEnergyGroupNonbonded = ir->opts.ngener;
2240     if (ir->opts.ngener - ir->nwall == 1)
2241     {
2242         /* We have only one non-wall energy group, we do not need energy group
2243          * support in the non-bondeds kernels, since all non-bonded energy
2244          * contributions go to the first element of the energy group matrix.
2245          */
2246         mimimumNumEnergyGroupNonbonded = 1;
2247     }
2248     bool bSimpleList = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[0].kernel_type);
2249     nbnxn_atomdata_init(mdlog,
2250                         nbv->nbat,
2251                         nbv->grp[0].kernel_type,
2252                         enbnxninitcombrule,
2253                         fr->ntype, fr->nbfp,
2254                         mimimumNumEnergyGroupNonbonded,
2255                         bSimpleList ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : 1,
2256                         nb_alloc, nb_free);
2257
2258     if (nbv->bUseGPU)
2259     {
2260         /* init the NxN GPU data; the last argument tells whether we'll have
2261          * both local and non-local NB calculation on GPU */
2262         nbnxn_gpu_init(&nbv->gpu_nbv,
2263                        deviceInfo,
2264                        fr->ic,
2265                        nbv->listParams.get(),
2266                        nbv->nbat,
2267                        cr->nodeid,
2268                        (nbv->ngrp > 1));
2269
2270         if ((env = getenv("GMX_NB_MIN_CI")) != nullptr)
2271         {
2272             char *end;
2273
2274             nbv->min_ci_balanced = strtol(env, &end, 10);
2275             if (!end || (*end != 0) || nbv->min_ci_balanced < 0)
2276             {
2277                 gmx_fatal(FARGS, "Invalid value passed in GMX_NB_MIN_CI=%s, non-negative integer required", env);
2278             }
2279
2280             if (debug)
2281             {
2282                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (passed as env. var.)\n",
2283                         nbv->min_ci_balanced);
2284             }
2285         }
2286         else
2287         {
2288             nbv->min_ci_balanced = nbnxn_gpu_min_ci_balanced(nbv->gpu_nbv);
2289             if (debug)
2290             {
2291                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (auto-adjusted to the number of GPU multi-processors)\n",
2292                         nbv->min_ci_balanced);
2293             }
2294         }
2295
2296     }
2297
2298     *nb_verlet = nbv;
2299 }
2300
2301 gmx_bool usingGpu(nonbonded_verlet_t *nbv)
2302 {
2303     return nbv != nullptr && nbv->bUseGPU;
2304 }
2305
2306 void init_forcerec(FILE                             *fp,
2307                    const gmx::MDLogger              &mdlog,
2308                    t_forcerec                       *fr,
2309                    t_fcdata                         *fcd,
2310                    const t_inputrec                 *ir,
2311                    const gmx_mtop_t                 *mtop,
2312                    const t_commrec                  *cr,
2313                    matrix                            box,
2314                    const char                       *tabfn,
2315                    const char                       *tabpfn,
2316                    gmx::ArrayRef<const std::string>  tabbfnm,
2317                    const gmx_hw_info_t              &hardwareInfo,
2318                    const gmx_device_info_t          *deviceInfo,
2319                    const bool                        useGpuForBonded,
2320                    gmx_bool                          bNoSolvOpt,
2321                    real                              print_force)
2322 {
2323     int            m, negp_pp, negptable, egi, egj;
2324     real           rtab;
2325     char          *env;
2326     double         dbl;
2327     const t_block *cgs;
2328     gmx_bool       bGenericKernelOnly;
2329     gmx_bool       needGroupSchemeTables, bSomeNormalNbListsAreInUse;
2330     gmx_bool       bFEP_NonBonded;
2331     int           *nm_ind, egp_flags;
2332
2333     /* By default we turn SIMD kernels on, but it might be turned off further down... */
2334     fr->use_simd_kernels = TRUE;
2335
2336     if (check_box(ir->ePBC, box))
2337     {
2338         gmx_fatal(FARGS, "%s", check_box(ir->ePBC, box));
2339     }
2340
2341     /* Test particle insertion ? */
2342     if (EI_TPI(ir->eI))
2343     {
2344         /* Set to the size of the molecule to be inserted (the last one) */
2345         /* Because of old style topologies, we have to use the last cg
2346          * instead of the last molecule type.
2347          */
2348         cgs       = &mtop->moltype[mtop->molblock.back().type].cgs;
2349         fr->n_tpi = cgs->index[cgs->nr] - cgs->index[cgs->nr-1];
2350         gmx::RangePartitioning molecules = gmx_mtop_molecules(*mtop);
2351         if (fr->n_tpi != molecules.block(molecules.numBlocks() - 1).size())
2352         {
2353             gmx_fatal(FARGS, "The molecule to insert can not consist of multiple charge groups.\nMake it a single charge group.");
2354         }
2355     }
2356     else
2357     {
2358         fr->n_tpi = 0;
2359     }
2360
2361     if (ir->coulombtype == eelRF_NEC_UNSUPPORTED)
2362     {
2363         gmx_fatal(FARGS, "%s electrostatics is no longer supported",
2364                   eel_names[ir->coulombtype]);
2365     }
2366
2367     if (ir->bAdress)
2368     {
2369         gmx_fatal(FARGS, "AdResS simulations are no longer supported");
2370     }
2371     if (ir->useTwinRange)
2372     {
2373         gmx_fatal(FARGS, "Twin-range simulations are no longer supported");
2374     }
2375     /* Copy the user determined parameters */
2376     fr->userint1  = ir->userint1;
2377     fr->userint2  = ir->userint2;
2378     fr->userint3  = ir->userint3;
2379     fr->userint4  = ir->userint4;
2380     fr->userreal1 = ir->userreal1;
2381     fr->userreal2 = ir->userreal2;
2382     fr->userreal3 = ir->userreal3;
2383     fr->userreal4 = ir->userreal4;
2384
2385     /* Shell stuff */
2386     fr->fc_stepsize = ir->fc_stepsize;
2387
2388     /* Free energy */
2389     fr->efep        = ir->efep;
2390     fr->sc_alphavdw = ir->fepvals->sc_alpha;
2391     if (ir->fepvals->bScCoul)
2392     {
2393         fr->sc_alphacoul  = ir->fepvals->sc_alpha;
2394         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma_min);
2395     }
2396     else
2397     {
2398         fr->sc_alphacoul  = 0;
2399         fr->sc_sigma6_min = 0; /* only needed when bScCoul is on */
2400     }
2401     fr->sc_power      = ir->fepvals->sc_power;
2402     fr->sc_r_power    = ir->fepvals->sc_r_power;
2403     fr->sc_sigma6_def = gmx::power6(ir->fepvals->sc_sigma);
2404
2405     env = getenv("GMX_SCSIGMA_MIN");
2406     if (env != nullptr)
2407     {
2408         dbl = 0;
2409         sscanf(env, "%20lf", &dbl);
2410         fr->sc_sigma6_min = gmx::power6(dbl);
2411         if (fp)
2412         {
2413             fprintf(fp, "Setting the minimum soft core sigma to %g nm\n", dbl);
2414         }
2415     }
2416
2417     fr->bNonbonded = TRUE;
2418     if (getenv("GMX_NO_NONBONDED") != nullptr)
2419     {
2420         /* turn off non-bonded calculations */
2421         fr->bNonbonded = FALSE;
2422         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText(
2423                 "Found environment variable GMX_NO_NONBONDED.\n"
2424                 "Disabling nonbonded calculations.");
2425     }
2426
2427     bGenericKernelOnly = FALSE;
2428
2429     /* We now check in the NS code whether a particular combination of interactions
2430      * can be used with water optimization, and disable it if that is not the case.
2431      */
2432
2433     if (getenv("GMX_NB_GENERIC") != nullptr)
2434     {
2435         if (fp != nullptr)
2436         {
2437             fprintf(fp,
2438                     "Found environment variable GMX_NB_GENERIC.\n"
2439                     "Disabling all interaction-specific nonbonded kernels, will only\n"
2440                     "use the slow generic ones in src/gmxlib/nonbonded/nb_generic.c\n\n");
2441         }
2442         bGenericKernelOnly = TRUE;
2443     }
2444
2445     if (bGenericKernelOnly)
2446     {
2447         bNoSolvOpt         = TRUE;
2448     }
2449
2450     if ( (getenv("GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS") != nullptr) || (getenv("GMX_NOOPTIMIZEDKERNELS") != nullptr) )
2451     {
2452         fr->use_simd_kernels = FALSE;
2453         if (fp != nullptr)
2454         {
2455             fprintf(fp,
2456                     "\nFound environment variable GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS.\n"
2457                     "Disabling the usage of any SIMD-specific non-bonded & bonded kernel routines\n"
2458                     "(e.g. SSE2/SSE4.1/AVX).\n\n");
2459         }
2460     }
2461
2462     fr->bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2463
2464     /* Check if we can/should do all-vs-all kernels */
2465     fr->bAllvsAll       = can_use_allvsall(ir, FALSE, nullptr, nullptr);
2466     fr->AllvsAll_work   = nullptr;
2467
2468     /* All-vs-all kernels have not been implemented in 4.6 and later.
2469      * See Redmine #1249. */
2470     if (fr->bAllvsAll)
2471     {
2472         fr->bAllvsAll            = FALSE;
2473         if (fp != nullptr)
2474         {
2475             fprintf(fp,
2476                     "\nYour simulation settings would have triggered the efficient all-vs-all\n"
2477                     "kernels in GROMACS 4.5, but these have not been implemented in GROMACS\n"
2478                     "4.6 and 5.x. If performance is important, please use GROMACS 4.5.7\n"
2479                     "or try cutoff-scheme = Verlet.\n\n");
2480         }
2481     }
2482
2483     /* Neighbour searching stuff */
2484     fr->cutoff_scheme = ir->cutoff_scheme;
2485     fr->bGrid         = (ir->ns_type == ensGRID);
2486     fr->ePBC          = ir->ePBC;
2487
2488     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2489     {
2490         const char *note = "NOTE: This file uses the deprecated 'group' cutoff_scheme. This will be\n"
2491             "removed in a future release when 'verlet' supports all interaction forms.\n";
2492
2493         if (MASTER(cr))
2494         {
2495             fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
2496         }
2497         if (fp != nullptr)
2498         {
2499             fprintf(fp, "\n%s\n", note);
2500         }
2501     }
2502
2503     /* Determine if we will do PBC for distances in bonded interactions */
2504     if (fr->ePBC == epbcNONE)
2505     {
2506         fr->bMolPBC = FALSE;
2507     }
2508     else
2509     {
2510         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2511         {
2512             gmx_bool bSHAKE;
2513
2514             bSHAKE = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
2515                       (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) > 0 ||
2516                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC) > 0));
2517
2518             /* The group cut-off scheme and SHAKE assume charge groups
2519              * are whole, but not using molpbc is faster in most cases.
2520              * With intermolecular interactions we need PBC for calculating
2521              * distances between atoms in different molecules.
2522              */
2523             if ((fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP || bSHAKE) &&
2524                 !mtop->bIntermolecularInteractions)
2525             {
2526                 fr->bMolPBC = ir->bPeriodicMols;
2527
2528                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2529                 {
2530                     gmx_fatal(FARGS, "SHAKE is not supported with periodic molecules");
2531                 }
2532             }
2533             else
2534             {
2535                 /* Not making molecules whole is faster in most cases,
2536                  * but With orientation restraints we need whole molecules.
2537                  */
2538                 fr->bMolPBC = (fcd->orires.nr == 0);
2539
2540                 if (getenv("GMX_USE_GRAPH") != nullptr)
2541                 {
2542                     fr->bMolPBC = FALSE;
2543                     if (fp)
2544                     {
2545                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("GMX_USE_GRAPH is set, using the graph for bonded interactions");
2546                     }
2547
2548                     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2549                     {
2550                         GMX_LOG(mdlog.warning).asParagraph().appendText("WARNING: Molecules linked by intermolecular interactions have to reside in the same periodic image, otherwise artifacts will occur!");
2551                     }
2552                 }
2553
2554                 GMX_RELEASE_ASSERT(fr->bMolPBC || !mtop->bIntermolecularInteractions, "We need to use PBC within molecules with inter-molecular interactions");
2555
2556                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2557                 {
2558                     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");
2559                 }
2560             }
2561         }
2562         else
2563         {
2564             fr->bMolPBC = dd_bonded_molpbc(cr->dd, fr->ePBC);
2565         }
2566     }
2567
2568     fr->rc_scaling = ir->refcoord_scaling;
2569     copy_rvec(ir->posres_com, fr->posres_com);
2570     copy_rvec(ir->posres_comB, fr->posres_comB);
2571     fr->rlist                    = cutoff_inf(ir->rlist);
2572     fr->ljpme_combination_rule   = ir->ljpme_combination_rule;
2573
2574     /* This now calculates sum for q and c6*/
2575     bool systemHasNetCharge = set_chargesum(fp, fr, mtop);
2576
2577     /* fr->ic is used both by verlet and group kernels (to some extent) now */
2578     init_interaction_const(fp, &fr->ic, ir, mtop, systemHasNetCharge);
2579     init_interaction_const_tables(fp, fr->ic, ir->rlist + ir->tabext);
2580
2581     const interaction_const_t *ic = fr->ic;
2582
2583     /* TODO: Replace this Ewald table or move it into interaction_const_t */
2584     if (ir->coulombtype == eelEWALD)
2585     {
2586         init_ewald_tab(&(fr->ewald_table), ir, fp);
2587     }
2588
2589     /* Electrostatics: Translate from interaction-setting-in-mdp-file to kernel interaction format */
2590     switch (ic->eeltype)
2591     {
2592         case eelCUT:
2593             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_COULOMB;
2594             break;
2595
2596         case eelRF:
2597         case eelGRF:
2598             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2599             break;
2600
2601         case eelRF_ZERO:
2602             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2603             GMX_RELEASE_ASSERT(ic->coulomb_modifier == eintmodEXACTCUTOFF, "With the group scheme RF-zero needs the exact cut-off modifier");
2604             break;
2605
2606         case eelSWITCH:
2607         case eelSHIFT:
2608         case eelUSER:
2609         case eelENCADSHIFT:
2610         case eelPMESWITCH:
2611         case eelPMEUSER:
2612         case eelPMEUSERSWITCH:
2613             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2614             break;
2615
2616         case eelPME:
2617         case eelP3M_AD:
2618         case eelEWALD:
2619             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_EWALD;
2620             break;
2621
2622         default:
2623             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported electrostatic interaction: %s", eel_names[ic->eeltype]);
2624     }
2625     fr->nbkernel_elec_modifier = ic->coulomb_modifier;
2626
2627     /* Vdw: Translate from mdp settings to kernel format */
2628     switch (ic->vdwtype)
2629     {
2630         case evdwCUT:
2631             if (fr->bBHAM)
2632             {
2633                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_BUCKINGHAM;
2634             }
2635             else
2636             {
2637                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LENNARDJONES;
2638             }
2639             break;
2640         case evdwPME:
2641             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LJEWALD;
2642             break;
2643
2644         case evdwSWITCH:
2645         case evdwSHIFT:
2646         case evdwUSER:
2647         case evdwENCADSHIFT:
2648             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2649             break;
2650
2651         default:
2652             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported vdw interaction: %s", evdw_names[ic->vdwtype]);
2653     }
2654     fr->nbkernel_vdw_modifier = ic->vdw_modifier;
2655
2656     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2657     {
2658         fr->bvdwtab    = ((ic->vdwtype != evdwCUT || !gmx_within_tol(ic->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2659                           && !EVDW_PME(ic->vdwtype));
2660         /* We have special kernels for standard Ewald and PME, but the pme-switch ones are tabulated above */
2661         fr->bcoultab   = !(ic->eeltype == eelCUT ||
2662                            ic->eeltype == eelEWALD ||
2663                            ic->eeltype == eelPME ||
2664                            ic->eeltype == eelP3M_AD ||
2665                            ic->eeltype == eelRF ||
2666                            ic->eeltype == eelRF_ZERO);
2667
2668         /* If the user absolutely wants different switch/shift settings for coul/vdw, it is likely
2669          * going to be faster to tabulate the interaction than calling the generic kernel.
2670          * However, if generic kernels have been requested we keep things analytically.
2671          */
2672         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2673             fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2674             !bGenericKernelOnly)
2675         {
2676             if ((ic->rcoulomb_switch != ic->rvdw_switch) || (ic->rcoulomb != ic->rvdw))
2677             {
2678                 fr->bcoultab = TRUE;
2679                 /* Once we tabulate electrostatics, we can use the switch function for LJ,
2680                  * which would otherwise need two tables.
2681                  */
2682             }
2683         }
2684         else if ((fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSHIFT && fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) ||
2685                  ((fr->nbkernel_elec_interaction == GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD &&
2686                    fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodEXACTCUTOFF &&
2687                    (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT))))
2688         {
2689             if ((ic->rcoulomb != ic->rvdw) && (!bGenericKernelOnly))
2690             {
2691                 fr->bcoultab = TRUE;
2692             }
2693         }
2694
2695         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2696         {
2697             fr->bcoultab = TRUE;
2698         }
2699         if (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2700         {
2701             fr->bvdwtab = TRUE;
2702         }
2703
2704         if (getenv("GMX_REQUIRE_TABLES"))
2705         {
2706             fr->bvdwtab  = TRUE;
2707             fr->bcoultab = TRUE;
2708         }
2709
2710         if (fp)
2711         {
2712             fprintf(fp, "Table routines are used for coulomb: %s\n",
2713                     gmx::boolToString(fr->bcoultab));
2714             fprintf(fp, "Table routines are used for vdw:     %s\n",
2715                     gmx::boolToString(fr->bvdwtab));
2716         }
2717
2718         if (fr->bvdwtab)
2719         {
2720             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2721             fr->nbkernel_vdw_modifier    = eintmodNONE;
2722         }
2723         if (fr->bcoultab)
2724         {
2725             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2726             fr->nbkernel_elec_modifier    = eintmodNONE;
2727         }
2728     }
2729
2730     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2731     {
2732         if (!gmx_within_tol(ic->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2733         {
2734             gmx_fatal(FARGS, "Cut-off scheme %s only supports LJ repulsion power 12", ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2735         }
2736         /* Older tpr files can contain Coulomb user tables with the Verlet cutoff-scheme,
2737          * while mdrun does not (and never did) support this.
2738          */
2739         if (EEL_USER(fr->ic->eeltype))
2740         {
2741             gmx_fatal(FARGS, "Combination of %s and cutoff scheme %s is not supported",
2742                       eel_names[ir->coulombtype], ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2743         }
2744
2745         fr->bvdwtab  = FALSE;
2746         fr->bcoultab = FALSE;
2747     }
2748
2749     /* 1-4 interaction electrostatics */
2750     fr->fudgeQQ = mtop->ffparams.fudgeQQ;
2751
2752     /* Parameters for generalized RF */
2753     fr->zsquare = 0.0;
2754     fr->temp    = 0.0;
2755
2756     if (ic->eeltype == eelGRF)
2757     {
2758         init_generalized_rf(fp, mtop, ir, fr);
2759     }
2760
2761     fr->haveDirectVirialContributions =
2762         (EEL_FULL(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype) ||
2763          fr->forceProviders->hasForceProvider() ||
2764          gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_POSRES) > 0 ||
2765          gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_FBPOSRES) > 0 ||
2766          ir->nwall > 0 ||
2767          ir->bPull ||
2768          ir->bRot ||
2769          ir->bIMD);
2770
2771     if (fr->haveDirectVirialContributions)
2772     {
2773         fr->forceBufferForDirectVirialContributions = new std::vector<gmx::RVec>;
2774     }
2775
2776     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2777         ncg_mtop(mtop) > fr->cg_nalloc && !DOMAINDECOMP(cr))
2778     {
2779         /* Count the total number of charge groups */
2780         fr->cg_nalloc = ncg_mtop(mtop);
2781         srenew(fr->cg_cm, fr->cg_nalloc);
2782     }
2783     if (fr->shift_vec == nullptr)
2784     {
2785         snew(fr->shift_vec, SHIFTS);
2786     }
2787
2788     if (fr->fshift == nullptr)
2789     {
2790         snew(fr->fshift, SHIFTS);
2791     }
2792
2793     if (fr->nbfp == nullptr)
2794     {
2795         fr->ntype = mtop->ffparams.atnr;
2796         fr->nbfp  = mk_nbfp(&mtop->ffparams, fr->bBHAM);
2797         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2798         {
2799             fr->ljpme_c6grid  = make_ljpme_c6grid(&mtop->ffparams, fr);
2800         }
2801     }
2802
2803     /* Copy the energy group exclusions */
2804     fr->egp_flags = ir->opts.egp_flags;
2805
2806     /* Van der Waals stuff */
2807     if ((ic->vdwtype != evdwCUT) && (ic->vdwtype != evdwUSER) && !fr->bBHAM)
2808     {
2809         if (ic->rvdw_switch >= ic->rvdw)
2810         {
2811             gmx_fatal(FARGS, "rvdw_switch (%f) must be < rvdw (%f)",
2812                       ic->rvdw_switch, ic->rvdw);
2813         }
2814         if (fp)
2815         {
2816             fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones, switch between %g and %g nm\n",
2817                     (ic->eeltype == eelSWITCH) ? "switched" : "shifted",
2818                     ic->rvdw_switch, ic->rvdw);
2819         }
2820     }
2821
2822     if (fr->bBHAM && EVDW_PME(ic->vdwtype))
2823     {
2824         gmx_fatal(FARGS, "LJ PME not supported with Buckingham");
2825     }
2826
2827     if (fr->bBHAM && (ic->vdwtype == evdwSHIFT || ic->vdwtype == evdwSWITCH))
2828     {
2829         gmx_fatal(FARGS, "Switch/shift interaction not supported with Buckingham");
2830     }
2831
2832     if (fr->bBHAM && fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2833     {
2834         gmx_fatal(FARGS, "Verlet cutoff-scheme is not supported with Buckingham");
2835     }
2836
2837     if (fp && fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2838     {
2839         fprintf(fp, "Cut-off's:   NS: %g   Coulomb: %g   %s: %g\n",
2840                 fr->rlist, ic->rcoulomb, fr->bBHAM ? "BHAM" : "LJ", ic->rvdw);
2841     }
2842
2843     fr->eDispCorr = ir->eDispCorr;
2844     fr->numAtomsForDispersionCorrection = mtop->natoms;
2845     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
2846     {
2847         set_avcsixtwelve(fp, fr, mtop);
2848     }
2849
2850     if (ir->implicit_solvent)
2851     {
2852         gmx_fatal(FARGS, "Implict solvation is no longer supported.");
2853     }
2854
2855     /* Construct tables for the group scheme. A little unnecessary to
2856      * make both vdw and coul tables sometimes, but what the
2857      * heck. Note that both cutoff schemes construct Ewald tables in
2858      * init_interaction_const_tables. */
2859     needGroupSchemeTables = (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2860                              (fr->bcoultab || fr->bvdwtab));
2861
2862     negp_pp   = ir->opts.ngener - ir->nwall;
2863     negptable = 0;
2864     if (!needGroupSchemeTables)
2865     {
2866         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2867         fr->nnblists               = 1;
2868     }
2869     else
2870     {
2871         bSomeNormalNbListsAreInUse = FALSE;
2872         for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
2873         {
2874             for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
2875             {
2876                 egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
2877                 if (!(egp_flags & EGP_EXCL))
2878                 {
2879                     if (egp_flags & EGP_TABLE)
2880                     {
2881                         negptable++;
2882                     }
2883                     else
2884                     {
2885                         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
2886                     }
2887                 }
2888             }
2889         }
2890         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
2891         {
2892             fr->nnblists = negptable + 1;
2893         }
2894         else
2895         {
2896             fr->nnblists = negptable;
2897         }
2898         if (fr->nnblists > 1)
2899         {
2900             snew(fr->gid2nblists, ir->opts.ngener*ir->opts.ngener);
2901         }
2902     }
2903
2904     snew(fr->nblists, fr->nnblists);
2905
2906     /* This code automatically gives table length tabext without cut-off's,
2907      * in that case grompp should already have checked that we do not need
2908      * normal tables and we only generate tables for 1-4 interactions.
2909      */
2910     rtab = ir->rlist + ir->tabext;
2911
2912     if (needGroupSchemeTables)
2913     {
2914         /* make tables for ordinary interactions */
2915         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
2916         {
2917             make_nbf_tables(fp, ic, rtab, tabfn, nullptr, nullptr, &fr->nblists[0]);
2918             m = 1;
2919         }
2920         else
2921         {
2922             m = 0;
2923         }
2924         if (negptable > 0)
2925         {
2926             /* Read the special tables for certain energy group pairs */
2927             nm_ind = mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind;
2928             for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
2929             {
2930                 for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
2931                 {
2932                     egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
2933                     if ((egp_flags & EGP_TABLE) && !(egp_flags & EGP_EXCL))
2934                     {
2935                         if (fr->nnblists > 1)
2936                         {
2937                             fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = m;
2938                         }
2939                         /* Read the table file with the two energy groups names appended */
2940                         make_nbf_tables(fp, ic, rtab, tabfn,
2941                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
2942                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
2943                                         &fr->nblists[m]);
2944                         m++;
2945                     }
2946                     else if (fr->nnblists > 1)
2947                     {
2948                         fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = 0;
2949                     }
2950                 }
2951             }
2952         }
2953     }
2954
2955     /* Tables might not be used for the potential modifier
2956      * interactions per se, but we still need them to evaluate
2957      * switch/shift dispersion corrections in this case. */
2958     if (fr->eDispCorr != edispcNO)
2959     {
2960         fr->dispersionCorrectionTable = makeDispersionCorrectionTable(fp, ic, rtab, tabfn);
2961     }
2962
2963     /* We want to use unmodified tables for 1-4 coulombic
2964      * interactions, so we must in general have an extra set of
2965      * tables. */
2966     if (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJ14) > 0 ||
2967         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC14_Q) > 0 ||
2968         gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC_PAIRS_NB) > 0)
2969     {
2970         fr->pairsTable = make_tables(fp, ic, tabpfn, rtab,
2971                                      GMX_MAKETABLES_14ONLY);
2972     }
2973
2974     /* Wall stuff */
2975     fr->nwall = ir->nwall;
2976     if (ir->nwall && ir->wall_type == ewtTABLE)
2977     {
2978         make_wall_tables(fp, ir, tabfn, &mtop->groups, fr);
2979     }
2980
2981     if (fcd && !tabbfnm.empty())
2982     {
2983         // Need to catch std::bad_alloc
2984         // TODO Don't need to catch this here, when merging with master branch
2985         try
2986         {
2987             fcd->bondtab  = make_bonded_tables(fp,
2988                                                F_TABBONDS, F_TABBONDSNC,
2989                                                mtop, tabbfnm, "b");
2990             fcd->angletab = make_bonded_tables(fp,
2991                                                F_TABANGLES, -1,
2992                                                mtop, tabbfnm, "a");
2993             fcd->dihtab   = make_bonded_tables(fp,
2994                                                F_TABDIHS, -1,
2995                                                mtop, tabbfnm, "d");
2996         }
2997         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
2998     }
2999     else
3000     {
3001         if (debug)
3002         {
3003             fprintf(debug, "No fcdata or table file name passed, can not read table, can not do bonded interactions\n");
3004         }
3005     }
3006
3007     // QM/MM initialization if requested
3008     fr->bQMMM = ir->bQMMM;
3009     if (fr->bQMMM)
3010     {
3011         // Initialize QM/MM if supported
3012         if (GMX_QMMM)
3013         {
3014             GMX_LOG(mdlog.info).asParagraph().
3015                 appendText("Large parts of the QM/MM support is deprecated, and may be removed in a future "
3016                            "version. Please get in touch with the developers if you find the support useful, "
3017                            "as help is needed if the functionality is to continue to be available.");
3018             fr->qr = mk_QMMMrec();
3019             init_QMMMrec(cr, mtop, ir, fr);
3020         }
3021         else
3022         {
3023             gmx_incons("QM/MM was requested, but is only available when GROMACS "
3024                        "is configured with QM/MM support");
3025         }
3026     }
3027
3028     /* Set all the static charge group info */
3029     fr->cginfo_mb = init_cginfo_mb(fp, mtop, fr, bNoSolvOpt,
3030                                    &bFEP_NonBonded,
3031                                    &fr->bExcl_IntraCGAll_InterCGNone);
3032     if (DOMAINDECOMP(cr))
3033     {
3034         fr->cginfo = nullptr;
3035     }
3036     else
3037     {
3038         fr->cginfo = cginfo_expand(mtop->molblock.size(), fr->cginfo_mb);
3039     }
3040
3041     if (!DOMAINDECOMP(cr))
3042     {
3043         forcerec_set_ranges(fr, ncg_mtop(mtop), ncg_mtop(mtop),
3044                             mtop->natoms, mtop->natoms, mtop->natoms);
3045     }
3046
3047     fr->print_force = print_force;
3048
3049
3050     /* coarse load balancing vars */
3051     fr->t_fnbf    = 0.;
3052     fr->t_wait    = 0.;
3053     fr->timesteps = 0;
3054
3055     /* Initialize neighbor search */
3056     snew(fr->ns, 1);
3057     init_ns(fp, cr, fr->ns, fr, mtop);
3058
3059     if (thisRankHasDuty(cr, DUTY_PP))
3060     {
3061         gmx_nonbonded_setup(fr, bGenericKernelOnly);
3062     }
3063
3064     /* Initialize the thread working data for bonded interactions */
3065     init_bonded_threading(fp, mtop->groups.grps[egcENER].nr,
3066                           &fr->bondedThreading);
3067
3068     fr->nthread_ewc = gmx_omp_nthreads_get(emntBonded);
3069     snew(fr->ewc_t, fr->nthread_ewc);
3070
3071     if (fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
3072     {
3073         // We checked the cut-offs in grompp, but double-check here.
3074         // We have PME+LJcutoff kernels for rcoulomb>rvdw.
3075         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) && ir->vdwtype == eelCUT)
3076         {
3077             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb >= ir->rvdw, "With Verlet lists and PME we should have rcoulomb>=rvdw");
3078         }
3079         else
3080         {
3081             GMX_RELEASE_ASSERT(ir->rcoulomb == ir->rvdw, "With Verlet lists and no PME rcoulomb and rvdw should be identical");
3082         }
3083
3084         init_nb_verlet(mdlog, &fr->nbv, bFEP_NonBonded, ir, fr,
3085                        cr, hardwareInfo, deviceInfo,
3086                        mtop, box);
3087
3088         if (useGpuForBonded)
3089         {
3090             // TODO use havePPDomainDecomposition here to simplify the code.
3091             auto stream = (DOMAINDECOMP(cr) && (cr->nnodes - cr->npmenodes > 1)) ?
3092                 nbnxn_gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, eintNonlocal) :
3093                 nbnxn_gpu_get_command_stream(fr->nbv->gpu_nbv, eintLocal);
3094             // TODO the heap allocation is only needed while
3095             // t_forcerec lacks a constructor.
3096             fr->gpuBonded = new gmx::GpuBonded(mtop->ffparams,
3097                                                stream);
3098         }
3099     }
3100
3101     if (fp != nullptr)
3102     {
3103         /* Here we switch from using mdlog, which prints the newline before
3104          * the paragraph, to our old fprintf logging, which prints the newline
3105          * after the paragraph, so we should add a newline here.
3106          */
3107         fprintf(fp, "\n");
3108     }
3109
3110     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
3111     {
3112         calc_enervirdiff(fp, ir->eDispCorr, fr);
3113     }
3114 }
3115
3116 /* Frees GPU memory and sets a tMPI node barrier.
3117  *
3118  * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
3119  * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
3120  * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
3121  * \todo Remove physical node barrier from this function after making sure
3122  * that it's not needed anymore (with a shared GPU run).
3123  */
3124 void free_gpu_resources(t_forcerec                          *fr,
3125                         const gmx::PhysicalNodeCommunicator &physicalNodeCommunicator)
3126 {
3127     bool isPPrankUsingGPU = (fr != nullptr) && (fr->nbv != nullptr) && fr->nbv->bUseGPU;
3128
3129     /* stop the GPU profiler (only CUDA) */
3130     stopGpuProfiler();
3131
3132     if (isPPrankUsingGPU)
3133     {
3134         /* free nbnxn data in GPU memory */
3135         nbnxn_gpu_free(fr->nbv->gpu_nbv);
3136         delete fr->gpuBonded;
3137         fr->gpuBonded = nullptr;
3138     }
3139
3140     /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
3141      * destroying the CUDA context in free_gpu() as some tMPI ranks may be sharing
3142      * GPU and context.
3143      *
3144      * This is not a concern in OpenCL where we use one context per rank which
3145      * is freed in nbnxn_gpu_free().
3146      *
3147      * Note: it is safe to not call the barrier on the ranks which do not use GPU,
3148      * but it is easier and more futureproof to call it on the whole node.
3149      */
3150     if (GMX_THREAD_MPI)
3151     {
3152         physicalNodeCommunicator.barrier();
3153     }
3154 }
3155
3156 void done_forcerec(t_forcerec *fr, int numMolBlocks, int numEnergyGroups)
3157 {
3158     if (fr == nullptr)
3159     {
3160         // PME-only ranks don't have a forcerec
3161         return;
3162     }
3163     done_cginfo_mb(fr->cginfo_mb, numMolBlocks);
3164     sfree(fr->nbfp);
3165     done_interaction_const(fr->ic);
3166     sfree(fr->shift_vec);
3167     sfree(fr->fshift);
3168     sfree(fr->nblists);
3169     done_ns(fr->ns, numEnergyGroups);
3170     sfree(fr->ewc_t);
3171     tear_down_bonded_threading(fr->bondedThreading);
3172     GMX_RELEASE_ASSERT(fr->gpuBonded == nullptr, "Should have been deleted earlier, when used");
3173     fr->bondedThreading = nullptr;
3174     sfree(fr);
3175 }