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, 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 "config.h"
  40
  41 #include <assert.h>
  42 #include <math.h>
  43 #include <stdlib.h>
  44 #include <string.h>
  45
  46 #include <algorithm>
  47
  48 #include "gromacs/domdec/domdec.h"
  49 #include "gromacs/ewald/ewald.h"
  50 #include "gromacs/fileio/filenm.h"
  51 #include "gromacs/gmxlib/gpu_utils/gpu_utils.h"
  52 #include "gromacs/legacyheaders/copyrite.h"
  53 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  54 #include "gromacs/legacyheaders/gmx_detect_hardware.h"
  55 #include "gromacs/legacyheaders/gmx_omp_nthreads.h"
  56 #include "gromacs/legacyheaders/inputrec.h"
  57 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  58 #include "gromacs/legacyheaders/md_logging.h"
  59 #include "gromacs/legacyheaders/md_support.h"
  60 #include "gromacs/legacyheaders/names.h"
  61 #include "gromacs/legacyheaders/network.h"
  62 #include "gromacs/legacyheaders/nonbonded.h"
  63 #include "gromacs/legacyheaders/ns.h"
  64 #include "gromacs/legacyheaders/qmmm.h"
  65 #include "gromacs/legacyheaders/tables.h"
  66 #include "gromacs/legacyheaders/txtdump.h"
  67 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  68 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
  69 #include "gromacs/listed-forces/manage-threading.h"
  70 #include "gromacs/math/calculate-ewald-splitting-coefficient.h"
  71 #include "gromacs/math/units.h"
  72 #include "gromacs/math/utilities.h"
  73 #include "gromacs/math/vec.h"
  74 #include "gromacs/mdlib/forcerec-threading.h"
  75 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
  76 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.h"
  77 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_gpu_data_mgmt.h"
  78 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search.h"
  79 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
  80 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  81 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  82 #include "gromacs/simd/simd.h"
  83 #include "gromacs/topology/mtop_util.h"
  84 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  85 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  86 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  87 #include "gromacs/utility/stringutil.h"
  88
  89 #include "nbnxn_gpu_jit_support.h"
  90
  91 t_forcerec *mk_forcerec(void)
  92 {
  93     t_forcerec *fr;
  94
  95     snew(fr, 1);
  96
  97     return fr;
  98 }
  99
 100 #ifdef DEBUG
 101 static void pr_nbfp(FILE *fp, real *nbfp, gmx_bool bBHAM, int atnr)
 102 {
 103     int i, j;
 104
 105     for (i = 0; (i < atnr); i++)
 106     {
 107         for (j = 0; (j < atnr); j++)
 108         {
 109             fprintf(fp, "%2d - %2d", i, j);
 110             if (bBHAM)
 111             {
 112                 fprintf(fp, "  a=%10g, b=%10g, c=%10g\n", BHAMA(nbfp, atnr, i, j),
 113                         BHAMB(nbfp, atnr, i, j), BHAMC(nbfp, atnr, i, j)/6.0);
 114             }
 115             else
 116             {
 117                 fprintf(fp, "  c6=%10g, c12=%10g\n", C6(nbfp, atnr, i, j)/6.0,
 118                         C12(nbfp, atnr, i, j)/12.0);
 119             }
 120         }
 121     }
 122 }
 123 #endif
 124
 125 static real *mk_nbfp(const gmx_ffparams_t *idef, gmx_bool bBHAM)
 126 {
 127     real *nbfp;
 128     int   i, j, k, atnr;
 129
 130     atnr = idef->atnr;
 131     if (bBHAM)
 132     {
 133         snew(nbfp, 3*atnr*atnr);
 134         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 135         {
 136             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 137             {
 138                 BHAMA(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.a;
 139                 BHAMB(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.b;
 140                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
 141                 BHAMC(nbfp, atnr, i, j) = idef->iparams[k].bham.c*6.0;
 142             }
 143         }
 144     }
 145     else
 146     {
 147         snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 148         for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 149         {
 150             for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 151             {
 152                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
 153                 C6(nbfp, atnr, i, j)   = idef->iparams[k].lj.c6*6.0;
 154                 C12(nbfp, atnr, i, j)  = idef->iparams[k].lj.c12*12.0;
 155             }
 156         }
 157     }
 158
 159     return nbfp;
 160 }
 161
 162 static real *make_ljpme_c6grid(const gmx_ffparams_t *idef, t_forcerec *fr)
 163 {
 164     int        i, j, k, atnr;
 165     real       c6, c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 166     real      *grid;
 167     const real oneOverSix = 1.0 / 6.0;
 168
 169     /* For LJ-PME simulations, we correct the energies with the reciprocal space
 170      * inside of the cut-off. To do this the non-bonded kernels needs to have
 171      * access to the C6-values used on the reciprocal grid in pme.c
 172      */
 173
 174     atnr = idef->atnr;
 175     snew(grid, 2*atnr*atnr);
 176     for (i = k = 0; (i < atnr); i++)
 177     {
 178         for (j = 0; (j < atnr); j++, k++)
 179         {
 180             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 181             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 182             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 183             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 184             c6   = sqrt(c6i * c6j);
 185             if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB
 186                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12i) && !gmx_numzero(c12j))
 187             {
 188                 sigmai = pow(c12i / c6i, oneOverSix);
 189                 sigmaj = pow(c12j / c6j, oneOverSix);
 190                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 191                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 192                 c6     = sqrt(epsi * epsj) * pow(0.5*(sigmai+sigmaj), 6);
 193             }
 194             /* Store the elements at the same relative positions as C6 in nbfp in order
 195              * to simplify access in the kernels
 196              */
 197             grid[2*(atnr*i+j)] = c6*6.0;
 198         }
 199     }
 200     return grid;
 201 }
 202
 203 static real *mk_nbfp_combination_rule(const gmx_ffparams_t *idef, int comb_rule)
 204 {
 205     real      *nbfp;
 206     int        i, j, atnr;
 207     real       c6i, c6j, c12i, c12j, epsi, epsj, sigmai, sigmaj;
 208     real       c6, c12;
 209     const real oneOverSix = 1.0 / 6.0;
 210
 211     atnr = idef->atnr;
 212     snew(nbfp, 2*atnr*atnr);
 213     for (i = 0; i < atnr; ++i)
 214     {
 215         for (j = 0; j < atnr; ++j)
 216         {
 217             c6i  = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c6;
 218             c12i = idef->iparams[i*(atnr+1)].lj.c12;
 219             c6j  = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c6;
 220             c12j = idef->iparams[j*(atnr+1)].lj.c12;
 221             c6   = sqrt(c6i  * c6j);
 222             c12  = sqrt(c12i * c12j);
 223             if (comb_rule == eCOMB_ARITHMETIC
 224                 && !gmx_numzero(c6) && !gmx_numzero(c12))
 225             {
 226                 sigmai = pow(c12i / c6i, oneOverSix);
 227                 sigmaj = pow(c12j / c6j, oneOverSix);
 228                 epsi   = c6i * c6i / c12i;
 229                 epsj   = c6j * c6j / c12j;
 230                 c6     = sqrt(epsi * epsj) * pow(0.5*(sigmai+sigmaj), 6);
 231                 c12    = sqrt(epsi * epsj) * pow(0.5*(sigmai+sigmaj), 12);
 232             }
 233             C6(nbfp, atnr, i, j)   = c6*6.0;
 234             C12(nbfp, atnr, i, j)  = c12*12.0;
 235         }
 236     }
 237     return nbfp;
 238 }
 239
 240 /* This routine sets fr->solvent_opt to the most common solvent in the
 241  * system, e.g. esolSPC or esolTIP4P. It will also mark each charge group in
 242  * the fr->solvent_type array with the correct type (or esolNO).
 243  *
 244  * Charge groups that fulfill the conditions but are not identical to the
 245  * most common one will be marked as esolNO in the solvent_type array.
 246  *
 247  * TIP3p is identical to SPC for these purposes, so we call it
 248  * SPC in the arrays (Apologies to Bill Jorgensen ;-)
 249  *
 250  * NOTE: QM particle should not
 251  * become an optimized solvent. Not even if there is only one charge
 252  * group in the Qm
 253  */
 254
 255 typedef struct
 256 {
 257     int    model;
 258     int    count;
 259     int    vdwtype[4];
 260     real   charge[4];
 261 } solvent_parameters_t;
 262
 263 static void
 264 check_solvent_cg(const gmx_moltype_t    *molt,
 265                  int                     cg0,
 266                  int                     nmol,
 267                  const unsigned char    *qm_grpnr,
 268                  const t_grps           *qm_grps,
 269                  t_forcerec   *          fr,
 270                  int                    *n_solvent_parameters,
 271                  solvent_parameters_t  **solvent_parameters_p,
 272                  int                     cginfo,
 273                  int                    *cg_sp)
 274 {
 275     t_atom               *atom;
 276     int                   j, k;
 277     int                   j0, j1, nj;
 278     gmx_bool              perturbed;
 279     gmx_bool              has_vdw[4];
 280     gmx_bool              match;
 281     real                  tmp_charge[4]  = { 0.0 }; /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 282     int                   tmp_vdwtype[4] = { 0 };   /* init to zero to make gcc4.8 happy */
 283     int                   tjA;
 284     gmx_bool              qm;
 285     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 286
 287     /* We use a list with parameters for each solvent type.
 288      * Every time we discover a new molecule that fulfills the basic
 289      * conditions for a solvent we compare with the previous entries
 290      * in these lists. If the parameters are the same we just increment
 291      * the counter for that type, and otherwise we create a new type
 292      * based on the current molecule.
 293      *
 294      * Once we've finished going through all molecules we check which
 295      * solvent is most common, and mark all those molecules while we
 296      * clear the flag on all others.
 297      */
 298
 299     solvent_parameters = *solvent_parameters_p;
 300
 301     /* Mark the cg first as non optimized */
 302     *cg_sp = -1;
 303
 304     /* Check if this cg has no exclusions with atoms in other charge groups
 305      * and all atoms inside the charge group excluded.
 306      * We only have 3 or 4 atom solvent loops.
 307      */
 308     if (GET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo) ||
 309         !GET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo))
 310     {
 311         return;
 312     }
 313
 314     /* Get the indices of the first atom in this charge group */
 315     j0     = molt->cgs.index[cg0];
 316     j1     = molt->cgs.index[cg0+1];
 317
 318     /* Number of atoms in our molecule */
 319     nj     = j1 - j0;
 320
 321     if (debug)
 322     {
 323         fprintf(debug,
 324                 "Moltype '%s': there are %d atoms in this charge group\n",
 325                 *molt->name, nj);
 326     }
 327
 328     /* Check if it could be an SPC (3 atoms) or TIP4p (4) water,
 329      * otherwise skip it.
 330      */
 331     if (nj < 3 || nj > 4)
 332     {
 333         return;
 334     }
 335
 336     /* Check if we are doing QM on this group */
 337     qm = FALSE;
 338     if (qm_grpnr != NULL)
 339     {
 340         for (j = j0; j < j1 && !qm; j++)
 341         {
 342             qm = (qm_grpnr[j] < qm_grps->nr - 1);
 343         }
 344     }
 345     /* Cannot use solvent optimization with QM */
 346     if (qm)
 347     {
 348         return;
 349     }
 350
 351     atom = molt->atoms.atom;
 352
 353     /* Still looks like a solvent, time to check parameters */
 354
 355     /* If it is perturbed (free energy) we can't use the solvent loops,
 356      * so then we just skip to the next molecule.
 357      */
 358     perturbed = FALSE;
 359
 360     for (j = j0; j < j1 && !perturbed; j++)
 361     {
 362         perturbed = PERTURBED(atom[j]);
 363     }
 364
 365     if (perturbed)
 366     {
 367         return;
 368     }
 369
 370     /* Now it's only a question if the VdW and charge parameters
 371      * are OK. Before doing the check we compare and see if they are
 372      * identical to a possible previous solvent type.
 373      * First we assign the current types and charges.
 374      */
 375     for (j = 0; j < nj; j++)
 376     {
 377         tmp_vdwtype[j] = atom[j0+j].type;
 378         tmp_charge[j]  = atom[j0+j].q;
 379     }
 380
 381     /* Does it match any previous solvent type? */
 382     for (k = 0; k < *n_solvent_parameters; k++)
 383     {
 384         match = TRUE;
 385
 386
 387         /* We can only match SPC with 3 atoms and TIP4p with 4 atoms */
 388         if ( (solvent_parameters[k].model == esolSPC   && nj != 3)  ||
 389              (solvent_parameters[k].model == esolTIP4P && nj != 4) )
 390         {
 391             match = FALSE;
 392         }
 393
 394         /* Check that types & charges match for all atoms in molecule */
 395         for (j = 0; j < nj && match == TRUE; j++)
 396         {
 397             if (tmp_vdwtype[j] != solvent_parameters[k].vdwtype[j])
 398             {
 399                 match = FALSE;
 400             }
 401             if (tmp_charge[j] != solvent_parameters[k].charge[j])
 402             {
 403                 match = FALSE;
 404             }
 405         }
 406         if (match == TRUE)
 407         {
 408             /* Congratulations! We have a matched solvent.
 409              * Flag it with this type for later processing.
 410              */
 411             *cg_sp = k;
 412             solvent_parameters[k].count += nmol;
 413
 414             /* We are done with this charge group */
 415             return;
 416         }
 417     }
 418
 419     /* If we get here, we have a tentative new solvent type.
 420      * Before we add it we must check that it fulfills the requirements
 421      * of the solvent optimized loops. First determine which atoms have
 422      * VdW interactions.
 423      */
 424     for (j = 0; j < nj; j++)
 425     {
 426         has_vdw[j] = FALSE;
 427         tjA        = tmp_vdwtype[j];
 428
 429         /* Go through all other tpes and see if any have non-zero
 430          * VdW parameters when combined with this one.
 431          */
 432         for (k = 0; k < fr->ntype && (has_vdw[j] == FALSE); k++)
 433         {
 434             /* We already checked that the atoms weren't perturbed,
 435              * so we only need to check state A now.
 436              */
 437             if (fr->bBHAM)
 438             {
 439                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 440                               (BHAMA(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 441                               (BHAMB(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0) ||
 442                               (BHAMC(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 443             }
 444             else
 445             {
 446                 /* Standard LJ */
 447                 has_vdw[j] = (has_vdw[j] ||
 448                               (C6(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k)  != 0.0) ||
 449                               (C12(fr->nbfp, fr->ntype, tjA, k) != 0.0));
 450             }
 451         }
 452     }
 453
 454     /* Now we know all we need to make the final check and assignment. */
 455     if (nj == 3)
 456     {
 457         /* So, is it an SPC?
 458          * For this we require thatn all atoms have charge,
 459          * the charges on atom 2 & 3 should be the same, and only
 460          * atom 1 might have VdW.
 461          */
 462         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 463             has_vdw[2] == FALSE &&
 464             tmp_charge[0]  != 0 &&
 465             tmp_charge[1]  != 0 &&
 466             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1])
 467         {
 468             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 469             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolSPC;
 470             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 471             for (k = 0; k < 3; k++)
 472             {
 473                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 474                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 475             }
 476
 477             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 478             (*n_solvent_parameters)++;
 479         }
 480     }
 481     else if (nj == 4)
 482     {
 483         /* Or could it be a TIP4P?
 484          * For this we require thatn atoms 2,3,4 have charge, but not atom 1.
 485          * Only atom 1 mght have VdW.
 486          */
 487         if (has_vdw[1] == FALSE &&
 488             has_vdw[2] == FALSE &&
 489             has_vdw[3] == FALSE &&
 490             tmp_charge[0]  == 0 &&
 491             tmp_charge[1]  != 0 &&
 492             tmp_charge[2]  == tmp_charge[1] &&
 493             tmp_charge[3]  != 0)
 494         {
 495             srenew(solvent_parameters, *n_solvent_parameters+1);
 496             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].model = esolTIP4P;
 497             solvent_parameters[*n_solvent_parameters].count = nmol;
 498             for (k = 0; k < 4; k++)
 499             {
 500                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].vdwtype[k] = tmp_vdwtype[k];
 501                 solvent_parameters[*n_solvent_parameters].charge[k]  = tmp_charge[k];
 502             }
 503
 504             *cg_sp = *n_solvent_parameters;
 505             (*n_solvent_parameters)++;
 506         }
 507     }
 508
 509     *solvent_parameters_p = solvent_parameters;
 510 }
 511
 512 static void
 513 check_solvent(FILE  *                fp,
 514               const gmx_mtop_t  *    mtop,
 515               t_forcerec  *          fr,
 516               cginfo_mb_t           *cginfo_mb)
 517 {
 518     const t_block     *   cgs;
 519     const gmx_moltype_t  *molt;
 520     int                   mb, mol, cg_mol, at_offset, am, cgm, i, nmol_ch, nmol;
 521     int                   n_solvent_parameters;
 522     solvent_parameters_t *solvent_parameters;
 523     int                 **cg_sp;
 524     int                   bestsp, bestsol;
 525
 526     if (debug)
 527     {
 528         fprintf(debug, "Going to determine what solvent types we have.\n");
 529     }
 530
 531     n_solvent_parameters = 0;
 532     solvent_parameters   = NULL;
 533     /* Allocate temporary array for solvent type */
 534     snew(cg_sp, mtop->nmolblock);
 535
 536     at_offset = 0;
 537     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 538     {
 539         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 540         cgs  = &molt->cgs;
 541         /* Here we have to loop over all individual molecules
 542          * because we need to check for QMMM particles.
 543          */
 544         snew(cg_sp[mb], cginfo_mb[mb].cg_mod);
 545         nmol_ch = cginfo_mb[mb].cg_mod/cgs->nr;
 546         nmol    = mtop->molblock[mb].nmol/nmol_ch;
 547         for (mol = 0; mol < nmol_ch; mol++)
 548         {
 549             cgm = mol*cgs->nr;
 550             am  = mol*cgs->index[cgs->nr];
 551             for (cg_mol = 0; cg_mol < cgs->nr; cg_mol++)
 552             {
 553                 check_solvent_cg(molt, cg_mol, nmol,
 554                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM] ?
 555                                  mtop->groups.grpnr[egcQMMM]+at_offset+am : 0,
 556                                  &mtop->groups.grps[egcQMMM],
 557                                  fr,
 558                                  &n_solvent_parameters, &solvent_parameters,
 559                                  cginfo_mb[mb].cginfo[cgm+cg_mol],
 560                                  &cg_sp[mb][cgm+cg_mol]);
 561             }
 562         }
 563         at_offset += cgs->index[cgs->nr];
 564     }
 565
 566     /* Puh! We finished going through all charge groups.
 567      * Now find the most common solvent model.
 568      */
 569
 570     /* Most common solvent this far */
 571     bestsp = -2;
 572     for (i = 0; i < n_solvent_parameters; i++)
 573     {
 574         if (bestsp == -2 ||
 575             solvent_parameters[i].count > solvent_parameters[bestsp].count)
 576         {
 577             bestsp = i;
 578         }
 579     }
 580
 581     if (bestsp >= 0)
 582     {
 583         bestsol = solvent_parameters[bestsp].model;
 584     }
 585     else
 586     {
 587         bestsol = esolNO;
 588     }
 589
 590     fr->nWatMol = 0;
 591     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 592     {
 593         cgs  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].cgs;
 594         nmol = (mtop->molblock[mb].nmol*cgs->nr)/cginfo_mb[mb].cg_mod;
 595         for (i = 0; i < cginfo_mb[mb].cg_mod; i++)
 596         {
 597             if (cg_sp[mb][i] == bestsp)
 598             {
 599                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], bestsol);
 600                 fr->nWatMol += nmol;
 601             }
 602             else
 603             {
 604                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[i], esolNO);
 605             }
 606         }
 607         sfree(cg_sp[mb]);
 608     }
 609     sfree(cg_sp);
 610
 611     if (bestsol != esolNO && fp != NULL)
 612     {
 613         fprintf(fp, "\nEnabling %s-like water optimization for %d molecules.\n\n",
 614                 esol_names[bestsol],
 615                 solvent_parameters[bestsp].count);
 616     }
 617
 618     sfree(solvent_parameters);
 619     fr->solvent_opt = bestsol;
 620 }
 621
 622 enum {
 623     acNONE = 0, acCONSTRAINT, acSETTLE
 624 };
 625
 626 static cginfo_mb_t *init_cginfo_mb(FILE *fplog, const gmx_mtop_t *mtop,
 627                                    t_forcerec *fr, gmx_bool bNoSolvOpt,
 628                                    gmx_bool *bFEP_NonBonded,
 629                                    gmx_bool *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone)
 630 {
 631     const t_block        *cgs;
 632     const t_blocka       *excl;
 633     const gmx_moltype_t  *molt;
 634     const gmx_molblock_t *molb;
 635     cginfo_mb_t          *cginfo_mb;
 636     gmx_bool             *type_VDW;
 637     int                  *cginfo;
 638     int                   cg_offset, a_offset;
 639     int                   mb, m, cg, a0, a1, gid, ai, j, aj, excl_nalloc;
 640     int                  *a_con;
 641     int                   ftype;
 642     int                   ia;
 643     gmx_bool              bId, *bExcl, bExclIntraAll, bExclInter, bHaveVDW, bHaveQ, bHavePerturbedAtoms;
 644
 645     snew(cginfo_mb, mtop->nmolblock);
 646
 647     snew(type_VDW, fr->ntype);
 648     for (ai = 0; ai < fr->ntype; ai++)
 649     {
 650         type_VDW[ai] = FALSE;
 651         for (j = 0; j < fr->ntype; j++)
 652         {
 653             type_VDW[ai] = type_VDW[ai] ||
 654                 fr->bBHAM ||
 655                 C6(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0 ||
 656                 C12(fr->nbfp, fr->ntype, ai, j) != 0;
 657         }
 658     }
 659
 660     *bFEP_NonBonded               = FALSE;
 661     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = TRUE;
 662
 663     excl_nalloc = 10;
 664     snew(bExcl, excl_nalloc);
 665     cg_offset = 0;
 666     a_offset  = 0;
 667     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 668     {
 669         molb = &mtop->molblock[mb];
 670         molt = &mtop->moltype[molb->type];
 671         cgs  = &molt->cgs;
 672         excl = &molt->excls;
 673
 674         /* Check if the cginfo is identical for all molecules in this block.
 675          * If so, we only need an array of the size of one molecule.
 676          * Otherwise we make an array of #mol times #cgs per molecule.
 677          */
 678         bId = TRUE;
 679         for (m = 0; m < molb->nmol; m++)
 680         {
 681             int am = m*cgs->index[cgs->nr];
 682             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 683             {
 684                 a0 = cgs->index[cg];
 685                 a1 = cgs->index[cg+1];
 686                 if (ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0) !=
 687                     ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset   +a0))
 688                 {
 689                     bId = FALSE;
 690                 }
 691                 if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM] != NULL)
 692                 {
 693                     for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 694                     {
 695                         if (mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset+am+ai] !=
 696                             mtop->groups.grpnr[egcQMMM][a_offset   +ai])
 697                         {
 698                             bId = FALSE;
 699                         }
 700                     }
 701                 }
 702             }
 703         }
 704
 705         cginfo_mb[mb].cg_start = cg_offset;
 706         cginfo_mb[mb].cg_end   = cg_offset + molb->nmol*cgs->nr;
 707         cginfo_mb[mb].cg_mod   = (bId ? 1 : molb->nmol)*cgs->nr;
 708         snew(cginfo_mb[mb].cginfo, cginfo_mb[mb].cg_mod);
 709         cginfo = cginfo_mb[mb].cginfo;
 710
 711         /* Set constraints flags for constrained atoms */
 712         snew(a_con, molt->atoms.nr);
 713         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
 714         {
 715             if (interaction_function[ftype].flags & IF_CONSTRAINT)
 716             {
 717                 int nral;
 718
 719                 nral = NRAL(ftype);
 720                 for (ia = 0; ia < molt->ilist[ftype].nr; ia += 1+nral)
 721                 {
 722                     int a;
 723
 724                     for (a = 0; a < nral; a++)
 725                     {
 726                         a_con[molt->ilist[ftype].iatoms[ia+1+a]] =
 727                             (ftype == F_SETTLE ? acSETTLE : acCONSTRAINT);
 728                     }
 729                 }
 730             }
 731         }
 732
 733         for (m = 0; m < (bId ? 1 : molb->nmol); m++)
 734         {
 735             int cgm = m*cgs->nr;
 736             int am  = m*cgs->index[cgs->nr];
 737             for (cg = 0; cg < cgs->nr; cg++)
 738             {
 739                 a0 = cgs->index[cg];
 740                 a1 = cgs->index[cg+1];
 741
 742                 /* Store the energy group in cginfo */
 743                 gid = ggrpnr(&mtop->groups, egcENER, a_offset+am+a0);
 744                 SET_CGINFO_GID(cginfo[cgm+cg], gid);
 745
 746                 /* Check the intra/inter charge group exclusions */
 747                 if (a1-a0 > excl_nalloc)
 748                 {
 749                     excl_nalloc = a1 - a0;
 750                     srenew(bExcl, excl_nalloc);
 751                 }
 752                 /* bExclIntraAll: all intra cg interactions excluded
 753                  * bExclInter:    any inter cg interactions excluded
 754                  */
 755                 bExclIntraAll       = TRUE;
 756                 bExclInter          = FALSE;
 757                 bHaveVDW            = FALSE;
 758                 bHaveQ              = FALSE;
 759                 bHavePerturbedAtoms = FALSE;
 760                 for (ai = a0; ai < a1; ai++)
 761                 {
 762                     /* Check VDW and electrostatic interactions */
 763                     bHaveVDW = bHaveVDW || (type_VDW[molt->atoms.atom[ai].type] ||
 764                                             type_VDW[molt->atoms.atom[ai].typeB]);
 765                     bHaveQ  = bHaveQ    || (molt->atoms.atom[ai].q != 0 ||
 766                                             molt->atoms.atom[ai].qB != 0);
 767
 768                     bHavePerturbedAtoms = bHavePerturbedAtoms || (PERTURBED(molt->atoms.atom[ai]) != 0);
 769
 770                     /* Clear the exclusion list for atom ai */
 771                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 772                     {
 773                         bExcl[aj-a0] = FALSE;
 774                     }
 775                     /* Loop over all the exclusions of atom ai */
 776                     for (j = excl->index[ai]; j < excl->index[ai+1]; j++)
 777                     {
 778                         aj = excl->a[j];
 779                         if (aj < a0 || aj >= a1)
 780                         {
 781                             bExclInter = TRUE;
 782                         }
 783                         else
 784                         {
 785                             bExcl[aj-a0] = TRUE;
 786                         }
 787                     }
 788                     /* Check if ai excludes a0 to a1 */
 789                     for (aj = a0; aj < a1; aj++)
 790                     {
 791                         if (!bExcl[aj-a0])
 792                         {
 793                             bExclIntraAll = FALSE;
 794                         }
 795                     }
 796
 797                     switch (a_con[ai])
 798                     {
 799                         case acCONSTRAINT:
 800                             SET_CGINFO_CONSTR(cginfo[cgm+cg]);
 801                             break;
 802                         case acSETTLE:
 803                             SET_CGINFO_SETTLE(cginfo[cgm+cg]);
 804                             break;
 805                         default:
 806                             break;
 807                     }
 808                 }
 809                 if (bExclIntraAll)
 810                 {
 811                     SET_CGINFO_EXCL_INTRA(cginfo[cgm+cg]);
 812                 }
 813                 if (bExclInter)
 814                 {
 815                     SET_CGINFO_EXCL_INTER(cginfo[cgm+cg]);
 816                 }
 817                 if (a1 - a0 > MAX_CHARGEGROUP_SIZE)
 818                 {
 819                     /* The size in cginfo is currently only read with DD */
 820                     gmx_fatal(FARGS, "A charge group has size %d which is larger than the limit of %d atoms", a1-a0, MAX_CHARGEGROUP_SIZE);
 821                 }
 822                 if (bHaveVDW)
 823                 {
 824                     SET_CGINFO_HAS_VDW(cginfo[cgm+cg]);
 825                 }
 826                 if (bHaveQ)
 827                 {
 828                     SET_CGINFO_HAS_Q(cginfo[cgm+cg]);
 829                 }
 830                 if (bHavePerturbedAtoms && fr->efep != efepNO)
 831                 {
 832                     SET_CGINFO_FEP(cginfo[cgm+cg]);
 833                     *bFEP_NonBonded = TRUE;
 834                 }
 835                 /* Store the charge group size */
 836                 SET_CGINFO_NATOMS(cginfo[cgm+cg], a1-a0);
 837
 838                 if (!bExclIntraAll || bExclInter)
 839                 {
 840                     *bExcl_IntraCGAll_InterCGNone = FALSE;
 841                 }
 842             }
 843         }
 844
 845         sfree(a_con);
 846
 847         cg_offset += molb->nmol*cgs->nr;
 848         a_offset  += molb->nmol*cgs->index[cgs->nr];
 849     }
 850     sfree(bExcl);
 851
 852     /* the solvent optimizer is called after the QM is initialized,
 853      * because we don't want to have the QM subsystemto become an
 854      * optimized solvent
 855      */
 856
 857     check_solvent(fplog, mtop, fr, cginfo_mb);
 858
 859     if (getenv("GMX_NO_SOLV_OPT"))
 860     {
 861         if (fplog)
 862         {
 863             fprintf(fplog, "Found environment variable GMX_NO_SOLV_OPT.\n"
 864                     "Disabling all solvent optimization\n");
 865         }
 866         fr->solvent_opt = esolNO;
 867     }
 868     if (bNoSolvOpt)
 869     {
 870         fr->solvent_opt = esolNO;
 871     }
 872     if (!fr->solvent_opt)
 873     {
 874         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 875         {
 876             for (cg = 0; cg < cginfo_mb[mb].cg_mod; cg++)
 877             {
 878                 SET_CGINFO_SOLOPT(cginfo_mb[mb].cginfo[cg], esolNO);
 879             }
 880         }
 881     }
 882
 883     return cginfo_mb;
 884 }
 885
 886 static int *cginfo_expand(int nmb, cginfo_mb_t *cgi_mb)
 887 {
 888     int  ncg, mb, cg;
 889     int *cginfo;
 890
 891     ncg = cgi_mb[nmb-1].cg_end;
 892     snew(cginfo, ncg);
 893     mb = 0;
 894     for (cg = 0; cg < ncg; cg++)
 895     {
 896         while (cg >= cgi_mb[mb].cg_end)
 897         {
 898             mb++;
 899         }
 900         cginfo[cg] =
 901             cgi_mb[mb].cginfo[(cg - cgi_mb[mb].cg_start) % cgi_mb[mb].cg_mod];
 902     }
 903
 904     return cginfo;
 905 }
 906
 907 static void set_chargesum(FILE *log, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 908 {
 909     /*This now calculates sum for q and c6*/
 910     double         qsum, q2sum, q, c6sum, c6;
 911     int            mb, nmol, i;
 912     const t_atoms *atoms;
 913
 914     qsum   = 0;
 915     q2sum  = 0;
 916     c6sum  = 0;
 917     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 918     {
 919         nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 920         atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 921         for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 922         {
 923             q       = atoms->atom[i].q;
 924             qsum   += nmol*q;
 925             q2sum  += nmol*q*q;
 926             c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].type*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 927             c6sum  += nmol*c6;
 928         }
 929     }
 930     fr->qsum[0]   = qsum;
 931     fr->q2sum[0]  = q2sum;
 932     fr->c6sum[0]  = c6sum;
 933
 934     if (fr->efep != efepNO)
 935     {
 936         qsum   = 0;
 937         q2sum  = 0;
 938         c6sum  = 0;
 939         for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 940         {
 941             nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
 942             atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 943             for (i = 0; i < atoms->nr; i++)
 944             {
 945                 q       = atoms->atom[i].qB;
 946                 qsum   += nmol*q;
 947                 q2sum  += nmol*q*q;
 948                 c6      = mtop->ffparams.iparams[atoms->atom[i].typeB*(mtop->ffparams.atnr+1)].lj.c6;
 949                 c6sum  += nmol*c6;
 950             }
 951             fr->qsum[1]   = qsum;
 952             fr->q2sum[1]  = q2sum;
 953             fr->c6sum[1]  = c6sum;
 954         }
 955     }
 956     else
 957     {
 958         fr->qsum[1]   = fr->qsum[0];
 959         fr->q2sum[1]  = fr->q2sum[0];
 960         fr->c6sum[1]  = fr->c6sum[0];
 961     }
 962     if (log)
 963     {
 964         if (fr->efep == efepNO)
 965         {
 966             fprintf(log, "System total charge: %.3f\n", fr->qsum[0]);
 967         }
 968         else
 969         {
 970             fprintf(log, "System total charge, top. A: %.3f top. B: %.3f\n",
 971                     fr->qsum[0], fr->qsum[1]);
 972         }
 973     }
 974 }
 975
 976 void update_forcerec(t_forcerec *fr, matrix box)
 977 {
 978     if (fr->eeltype == eelGRF)
 979     {
 980         calc_rffac(NULL, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
 981                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
 982                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->c_rf);
 983     }
 984 }
 985
 986 void set_avcsixtwelve(FILE *fplog, t_forcerec *fr, const gmx_mtop_t *mtop)
 987 {
 988     const t_atoms  *atoms, *atoms_tpi;
 989     const t_blocka *excl;
 990     int             mb, nmol, nmolc, i, j, tpi, tpj, j1, j2, k, nexcl, q;
 991     gmx_int64_t     npair, npair_ij, tmpi, tmpj;
 992     double          csix, ctwelve;
 993     int             ntp, *typecount;
 994     gmx_bool        bBHAM;
 995     real           *nbfp;
 996     real           *nbfp_comb = NULL;
 997
 998     ntp   = fr->ntype;
 999     bBHAM = fr->bBHAM;
1000     nbfp  = fr->nbfp;
1001
1002     /* For LJ-PME, we want to correct for the difference between the
1003      * actual C6 values and the C6 values used by the LJ-PME based on
1004      * combination rules. */
1005
1006     if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
1007     {
1008         nbfp_comb = mk_nbfp_combination_rule(&mtop->ffparams,
1009                                              (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeLB) ? eCOMB_ARITHMETIC : eCOMB_GEOMETRIC);
1010         for (tpi = 0; tpi < ntp; ++tpi)
1011         {
1012             for (tpj = 0; tpj < ntp; ++tpj)
1013             {
1014                 C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) =
1015                     C6(nbfp, ntp, tpi, tpj) - C6(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj);
1016                 C12(nbfp_comb, ntp, tpi, tpj) = C12(nbfp, ntp, tpi, tpj);
1017             }
1018         }
1019         nbfp = nbfp_comb;
1020     }
1021     for (q = 0; q < (fr->efep == efepNO ? 1 : 2); q++)
1022     {
1023         csix    = 0;
1024         ctwelve = 0;
1025         npair   = 0;
1026         nexcl   = 0;
1027         if (!fr->n_tpi)
1028         {
1029             /* Count the types so we avoid natoms^2 operations */
1030             snew(typecount, ntp);
1031             gmx_mtop_count_atomtypes(mtop, q, typecount);
1032
1033             for (tpi = 0; tpi < ntp; tpi++)
1034             {
1035                 for (tpj = tpi; tpj < ntp; tpj++)
1036                 {
1037                     tmpi = typecount[tpi];
1038                     tmpj = typecount[tpj];
1039                     if (tpi != tpj)
1040                     {
1041                         npair_ij = tmpi*tmpj;
1042                     }
1043                     else
1044                     {
1045                         npair_ij = tmpi*(tmpi - 1)/2;
1046                     }
1047                     if (bBHAM)
1048                     {
1049                         /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1050                         csix    += npair_ij*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1051                     }
1052                     else
1053                     {
1054                         /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1055                         csix    += npair_ij*   C6(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1056                         ctwelve += npair_ij*  C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1057                     }
1058                     npair += npair_ij;
1059                 }
1060             }
1061             sfree(typecount);
1062             /* Subtract the excluded pairs.
1063              * The main reason for substracting exclusions is that in some cases
1064              * some combinations might never occur and the parameters could have
1065              * any value. These unused values should not influence the dispersion
1066              * correction.
1067              */
1068             for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1069             {
1070                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1071                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1072                 excl  = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].excls;
1073                 for (i = 0; (i < atoms->nr); i++)
1074                 {
1075                     if (q == 0)
1076                     {
1077                         tpi = atoms->atom[i].type;
1078                     }
1079                     else
1080                     {
1081                         tpi = atoms->atom[i].typeB;
1082                     }
1083                     j1  = excl->index[i];
1084                     j2  = excl->index[i+1];
1085                     for (j = j1; j < j2; j++)
1086                     {
1087                         k = excl->a[j];
1088                         if (k > i)
1089                         {
1090                             if (q == 0)
1091                             {
1092                                 tpj = atoms->atom[k].type;
1093                             }
1094                             else
1095                             {
1096                                 tpj = atoms->atom[k].typeB;
1097                             }
1098                             if (bBHAM)
1099                             {
1100                                 /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1101                                 csix -= nmol*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1102                             }
1103                             else
1104                             {
1105                                 /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1106                                 csix    -= nmol*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1107                                 ctwelve -= nmol*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1108                             }
1109                             nexcl += nmol;
1110                         }
1111                     }
1112                 }
1113             }
1114         }
1115         else
1116         {
1117             /* Only correct for the interaction of the test particle
1118              * with the rest of the system.
1119              */
1120             atoms_tpi =
1121                 &mtop->moltype[mtop->molblock[mtop->nmolblock-1].type].atoms;
1122
1123             npair = 0;
1124             for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
1125             {
1126                 nmol  = mtop->molblock[mb].nmol;
1127                 atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
1128                 for (j = 0; j < atoms->nr; j++)
1129                 {
1130                     nmolc = nmol;
1131                     /* Remove the interaction of the test charge group
1132                      * with itself.
1133                      */
1134                     if (mb == mtop->nmolblock-1)
1135                     {
1136                         nmolc--;
1137
1138                         if (mb == 0 && nmol == 1)
1139                         {
1140                             gmx_fatal(FARGS, "Old format tpr with TPI, please generate a new tpr file");
1141                         }
1142                     }
1143                     if (q == 0)
1144                     {
1145                         tpj = atoms->atom[j].type;
1146                     }
1147                     else
1148                     {
1149                         tpj = atoms->atom[j].typeB;
1150                     }
1151                     for (i = 0; i < fr->n_tpi; i++)
1152                     {
1153                         if (q == 0)
1154                         {
1155                             tpi = atoms_tpi->atom[i].type;
1156                         }
1157                         else
1158                         {
1159                             tpi = atoms_tpi->atom[i].typeB;
1160                         }
1161                         if (bBHAM)
1162                         {
1163                             /* nbfp now includes the 6.0 derivative prefactor */
1164                             csix    += nmolc*BHAMC(nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1165                         }
1166                         else
1167                         {
1168                             /* nbfp now includes the 6.0/12.0 derivative prefactors */
1169                             csix    += nmolc*C6 (nbfp, ntp, tpi, tpj)/6.0;
1170                             ctwelve += nmolc*C12(nbfp, ntp, tpi, tpj)/12.0;
1171                         }
1172                         npair += nmolc;
1173                     }
1174                 }
1175             }
1176         }
1177         if (npair - nexcl <= 0 && fplog)
1178         {
1179             fprintf(fplog, "\nWARNING: There are no atom pairs for dispersion correction\n\n");
1180             csix     = 0;
1181             ctwelve  = 0;
1182         }
1183         else
1184         {
1185             csix    /= npair - nexcl;
1186             ctwelve /= npair - nexcl;
1187         }
1188         if (debug)
1189         {
1190             fprintf(debug, "Counted %d exclusions\n", nexcl);
1191             fprintf(debug, "Average C6 parameter is: %10g\n", (double)csix);
1192             fprintf(debug, "Average C12 parameter is: %10g\n", (double)ctwelve);
1193         }
1194         fr->avcsix[q]    = csix;
1195         fr->avctwelve[q] = ctwelve;
1196     }
1197
1198     if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
1199     {
1200         sfree(nbfp_comb);
1201     }
1202
1203     if (fplog != NULL)
1204     {
1205         if (fr->eDispCorr == edispcAllEner ||
1206             fr->eDispCorr == edispcAllEnerPres)
1207         {
1208             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e, <C12> %10.4e\n",
1209                     fr->avcsix[0], fr->avctwelve[0]);
1210         }
1211         else
1212         {
1213             fprintf(fplog, "Long Range LJ corr.: <C6> %10.4e\n", fr->avcsix[0]);
1214         }
1215     }
1216 }
1217
1218
1219 static void set_bham_b_max(FILE *fplog, t_forcerec *fr,
1220                            const gmx_mtop_t *mtop)
1221 {
1222     const t_atoms *at1, *at2;
1223     int            mt1, mt2, i, j, tpi, tpj, ntypes;
1224     real           b, bmin;
1225     real          *nbfp;
1226
1227     if (fplog)
1228     {
1229         fprintf(fplog, "Determining largest Buckingham b parameter for table\n");
1230     }
1231     nbfp   = fr->nbfp;
1232     ntypes = fr->ntype;
1233
1234     bmin           = -1;
1235     fr->bham_b_max = 0;
1236     for (mt1 = 0; mt1 < mtop->nmoltype; mt1++)
1237     {
1238         at1 = &mtop->moltype[mt1].atoms;
1239         for (i = 0; (i < at1->nr); i++)
1240         {
1241             tpi = at1->atom[i].type;
1242             if (tpi >= ntypes)
1243             {
1244                 gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", i, tpi, ntypes);
1245             }
1246
1247             for (mt2 = mt1; mt2 < mtop->nmoltype; mt2++)
1248             {
1249                 at2 = &mtop->moltype[mt2].atoms;
1250                 for (j = 0; (j < at2->nr); j++)
1251                 {
1252                     tpj = at2->atom[j].type;
1253                     if (tpj >= ntypes)
1254                     {
1255                         gmx_fatal(FARGS, "Atomtype[%d] = %d, maximum = %d", j, tpj, ntypes);
1256                     }
1257                     b = BHAMB(nbfp, ntypes, tpi, tpj);
1258                     if (b > fr->bham_b_max)
1259                     {
1260                         fr->bham_b_max = b;
1261                     }
1262                     if ((b < bmin) || (bmin == -1))
1263                     {
1264                         bmin = b;
1265                     }
1266                 }
1267             }
1268         }
1269     }
1270     if (fplog)
1271     {
1272         fprintf(fplog, "Buckingham b parameters, min: %g, max: %g\n",
1273                 bmin, fr->bham_b_max);
1274     }
1275 }
1276
1277 static void make_nbf_tables(FILE *fp, const output_env_t oenv,
1278                             t_forcerec *fr, real rtab,
1279                             const t_commrec *cr,
1280                             const char *tabfn, char *eg1, char *eg2,
1281                             t_nblists *nbl)
1282 {
1283     char buf[STRLEN];
1284     int  i, j;
1285
1286     if (tabfn == NULL)
1287     {
1288         if (debug)
1289         {
1290             fprintf(debug, "No table file name passed, can not read table, can not do non-bonded interactions\n");
1291         }
1292         return;
1293     }
1294
1295     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1296     if (eg1 && eg2)
1297     {
1298         /* Append the two energy group names */
1299         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "_%s_%s.%s",
1300                 eg1, eg2, ftp2ext(efXVG));
1301     }
1302     nbl->table_elec_vdw = make_tables(fp, oenv, fr, MASTER(cr), buf, rtab, 0);
1303     /* Copy the contents of the table to separate coulomb and LJ tables too,
1304      * to improve cache performance.
1305      */
1306     /* For performance reasons we want
1307      * the table data to be aligned to 16-byte. The pointers could be freed
1308      * but currently aren't.
1309      */
1310     nbl->table_elec.interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_ELEC;
1311     nbl->table_elec.format        = nbl->table_elec_vdw.format;
1312     nbl->table_elec.r             = nbl->table_elec_vdw.r;
1313     nbl->table_elec.n             = nbl->table_elec_vdw.n;
1314     nbl->table_elec.scale         = nbl->table_elec_vdw.scale;
1315     nbl->table_elec.scale_exp     = nbl->table_elec_vdw.scale_exp;
1316     nbl->table_elec.formatsize    = nbl->table_elec_vdw.formatsize;
1317     nbl->table_elec.ninteractions = 1;
1318     nbl->table_elec.stride        = nbl->table_elec.formatsize * nbl->table_elec.ninteractions;
1319     snew_aligned(nbl->table_elec.data, nbl->table_elec.stride*(nbl->table_elec.n+1), 32);
1320
1321     nbl->table_vdw.interaction   = GMX_TABLE_INTERACTION_VDWREP_VDWDISP;
1322     nbl->table_vdw.format        = nbl->table_elec_vdw.format;
1323     nbl->table_vdw.r             = nbl->table_elec_vdw.r;
1324     nbl->table_vdw.n             = nbl->table_elec_vdw.n;
1325     nbl->table_vdw.scale         = nbl->table_elec_vdw.scale;
1326     nbl->table_vdw.scale_exp     = nbl->table_elec_vdw.scale_exp;
1327     nbl->table_vdw.formatsize    = nbl->table_elec_vdw.formatsize;
1328     nbl->table_vdw.ninteractions = 2;
1329     nbl->table_vdw.stride        = nbl->table_vdw.formatsize * nbl->table_vdw.ninteractions;
1330     snew_aligned(nbl->table_vdw.data, nbl->table_vdw.stride*(nbl->table_vdw.n+1), 32);
1331
1332     for (i = 0; i <= nbl->table_elec_vdw.n; i++)
1333     {
1334         for (j = 0; j < 4; j++)
1335         {
1336             nbl->table_elec.data[4*i+j] = nbl->table_elec_vdw.data[12*i+j];
1337         }
1338         for (j = 0; j < 8; j++)
1339         {
1340             nbl->table_vdw.data[8*i+j] = nbl->table_elec_vdw.data[12*i+4+j];
1341         }
1342     }
1343 }
1344
1345 /*!\brief If there's bonded interactions of type \c ftype1 or \c
1346  * ftype2 present in the topology, build an array of the number of
1347  * interactions present for each bonded interaction index found in the
1348  * topology.
1349  *
1350  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1351  * valid type with that parameter.
1352  *
1353  * \c count will be reallocated as necessary to fit the largest bonded
1354  * interaction index found, and its current size will be returned in
1355  * \c ncount. It will contain zero for every bonded interaction index
1356  * for which no interactions are present in the topology.
1357  */
1358 static void count_tables(int ftype1, int ftype2, const gmx_mtop_t *mtop,
1359                          int *ncount, int **count)
1360 {
1361     const gmx_moltype_t *molt;
1362     const t_ilist       *il;
1363     int                  mt, ftype, stride, i, j, tabnr;
1364
1365     // Loop over all moleculetypes
1366     for (mt = 0; mt < mtop->nmoltype; mt++)
1367     {
1368         molt = &mtop->moltype[mt];
1369         // Loop over all interaction types
1370         for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
1371         {
1372             // If the current interaction type is one of the types whose tables we're trying to count...
1373             if (ftype == ftype1 || ftype == ftype2)
1374             {
1375                 il     = &molt->ilist[ftype];
1376                 stride = 1 + NRAL(ftype);
1377                 // ... and there are actually some interactions for this type
1378                 for (i = 0; i < il->nr; i += stride)
1379                 {
1380                     // Find out which table index the user wanted
1381                     tabnr = mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]].tab.table;
1382                     if (tabnr < 0)
1383                     {
1384                         gmx_fatal(FARGS, "A bonded table number is smaller than 0: %d\n", tabnr);
1385                     }
1386                     // Make room for this index in the data structure
1387                     if (tabnr >= *ncount)
1388                     {
1389                         srenew(*count, tabnr+1);
1390                         for (j = *ncount; j < tabnr+1; j++)
1391                         {
1392                             (*count)[j] = 0;
1393                         }
1394                         *ncount = tabnr+1;
1395                     }
1396                     // Record that this table index is used and must have a valid file
1397                     (*count)[tabnr]++;
1398                 }
1399             }
1400         }
1401     }
1402 }
1403
1404 /*!\brief If there's bonded interactions of flavour \c tabext and type
1405  * \c ftype1 or \c ftype2 present in the topology, seek them in the
1406  * list of filenames passed to mdrun, and make bonded tables from
1407  * those files.
1408  *
1409  * \c ftype1 or \c ftype2 may be set to -1 to disable seeking for a
1410  * valid type with that parameter.
1411  *
1412  * A fatal error occurs if no matching filename is found.
1413  */
1414 static bondedtable_t *make_bonded_tables(FILE *fplog,
1415                                          int ftype1, int ftype2,
1416                                          const gmx_mtop_t *mtop,
1417                                          const t_filenm *tabbfnm,
1418                                          const char *tabext)
1419 {
1420     int            ncount, *count;
1421     bondedtable_t *tab;
1422
1423     tab = NULL;
1424
1425     ncount = 0;
1426     count  = NULL;
1427     count_tables(ftype1, ftype2, mtop, &ncount, &count);
1428
1429     // Are there any relevant tabulated bond interactions?
1430     if (ncount > 0)
1431     {
1432         snew(tab, ncount);
1433         for (int i = 0; i < ncount; i++)
1434         {
1435             // Do any interactions exist that requires this table?
1436             if (count[i] > 0)
1437             {
1438                 // This pattern enforces the current requirement that
1439                 // table filenames end in a characteristic sequence
1440                 // before the file type extension, and avoids table 13
1441                 // being recognized and used for table 1.
1442                 std::string patternToFind = gmx::formatString("_%s%d.%s", tabext, i, ftp2ext(efXVG));
1443                 bool        madeTable     = false;
1444                 for (int j = 0; j < tabbfnm->nfiles && !madeTable; ++j)
1445                 {
1446                     std::string filename(tabbfnm->fns[j]);
1447                     if (gmx::endsWith(filename, patternToFind))
1448                     {
1449                         // Finally read the table from the file found
1450                         tab[i]    = make_bonded_table(fplog, tabbfnm->fns[j], NRAL(ftype1)-2);
1451                         madeTable = true;
1452                     }
1453                 }
1454                 if (!madeTable)
1455                 {
1456                     bool isPlural = (ftype2 != -1);
1457                     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.",
1458                               interaction_function[ftype1].longname,
1459                               isPlural ? "' or '" : "",
1460                               isPlural ? interaction_function[ftype2].longname : "",
1461                               i,
1462                               patternToFind.c_str());
1463                 }
1464             }
1465         }
1466         sfree(count);
1467     }
1468
1469     return tab;
1470 }
1471
1472 void forcerec_set_ranges(t_forcerec *fr,
1473                          int ncg_home, int ncg_force,
1474                          int natoms_force,
1475                          int natoms_force_constr, int natoms_f_novirsum)
1476 {
1477     fr->cg0 = 0;
1478     fr->hcg = ncg_home;
1479
1480     /* fr->ncg_force is unused in the standard code,
1481      * but it can be useful for modified code dealing with charge groups.
1482      */
1483     fr->ncg_force           = ncg_force;
1484     fr->natoms_force        = natoms_force;
1485     fr->natoms_force_constr = natoms_force_constr;
1486
1487     if (fr->natoms_force_constr > fr->nalloc_force)
1488     {
1489         fr->nalloc_force = over_alloc_dd(fr->natoms_force_constr);
1490
1491         if (fr->bTwinRange)
1492         {
1493             srenew(fr->f_twin, fr->nalloc_force);
1494         }
1495     }
1496
1497     if (fr->bF_NoVirSum)
1498     {
1499         fr->f_novirsum_n = natoms_f_novirsum;
1500         if (fr->f_novirsum_n > fr->f_novirsum_nalloc)
1501         {
1502             fr->f_novirsum_nalloc = over_alloc_dd(fr->f_novirsum_n);
1503             srenew(fr->f_novirsum_alloc, fr->f_novirsum_nalloc);
1504         }
1505     }
1506     else
1507     {
1508         fr->f_novirsum_n = 0;
1509     }
1510 }
1511
1512 static real cutoff_inf(real cutoff)
1513 {
1514     if (cutoff == 0)
1515     {
1516         cutoff = GMX_CUTOFF_INF;
1517     }
1518
1519     return cutoff;
1520 }
1521
1522 static void make_adress_tf_tables(FILE *fp, const output_env_t oenv,
1523                                   t_forcerec *fr, const t_inputrec *ir,
1524                                   const char *tabfn, const gmx_mtop_t *mtop,
1525                                   matrix     box)
1526 {
1527     char buf[STRLEN];
1528     int  i, j;
1529
1530     if (tabfn == NULL)
1531     {
1532         gmx_fatal(FARGS, "No thermoforce table file given. Use -tabletf to specify a file\n");
1533         return;
1534     }
1535
1536     snew(fr->atf_tabs, ir->adress->n_tf_grps);
1537
1538     sprintf(buf, "%s", tabfn);
1539     for (i = 0; i < ir->adress->n_tf_grps; i++)
1540     {
1541         j = ir->adress->tf_table_index[i]; /* get energy group index */
1542         sprintf(buf + strlen(tabfn) - strlen(ftp2ext(efXVG)) - 1, "tf_%s.%s",
1543                 *(mtop->groups.grpname[mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind[j]]), ftp2ext(efXVG));
1544         if (fp)
1545         {
1546             fprintf(fp, "loading tf table for energygrp index %d from %s\n", ir->adress->tf_table_index[i], buf);
1547         }
1548         fr->atf_tabs[i] = make_atf_table(fp, oenv, fr, buf, box);
1549     }
1550
1551 }
1552
1553 gmx_bool can_use_allvsall(const t_inputrec *ir, gmx_bool bPrintNote, t_commrec *cr, FILE *fp)
1554 {
1555     gmx_bool bAllvsAll;
1556
1557     bAllvsAll =
1558         (
1559             ir->rlist == 0            &&
1560             ir->rcoulomb == 0         &&
1561             ir->rvdw == 0             &&
1562             ir->ePBC == epbcNONE      &&
1563             ir->vdwtype == evdwCUT    &&
1564             ir->coulombtype == eelCUT &&
1565             ir->efep == efepNO        &&
1566             (ir->implicit_solvent == eisNO ||
1567              (ir->implicit_solvent == eisGBSA && (ir->gb_algorithm == egbSTILL ||
1568                                                   ir->gb_algorithm == egbHCT   ||
1569                                                   ir->gb_algorithm == egbOBC))) &&
1570             getenv("GMX_NO_ALLVSALL") == NULL
1571         );
1572
1573     if (bAllvsAll && ir->opts.ngener > 1)
1574     {
1575         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";
1576
1577         if (bPrintNote)
1578         {
1579             if (MASTER(cr))
1580             {
1581                 fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
1582             }
1583             if (fp != NULL)
1584             {
1585                 fprintf(fp, "\n%s\n", note);
1586             }
1587         }
1588         bAllvsAll = FALSE;
1589     }
1590
1591     if (bAllvsAll && fp && MASTER(cr))
1592     {
1593         fprintf(fp, "\nUsing SIMD all-vs-all kernels.\n\n");
1594     }
1595
1596     return bAllvsAll;
1597 }
1598
1599
1600 gmx_bool nbnxn_gpu_acceleration_supported(FILE             *fplog,
1601                                           const t_commrec  *cr,
1602                                           const t_inputrec *ir,
1603                                           gmx_bool          bRerunMD)
1604 {
1605     if (bRerunMD && ir->opts.ngener > 1)
1606     {
1607         /* Rerun execution time is dominated by I/O and pair search,
1608          * so GPUs are not very useful, plus they do not support more
1609          * than one energy group. If the user requested GPUs
1610          * explicitly, a fatal error is given later.  With non-reruns,
1611          * we fall back to a single whole-of system energy group
1612          * (which runs much faster than a multiple-energy-groups
1613          * implementation would), and issue a note in the .log
1614          * file. Users can re-run if they want the information. */
1615         md_print_warn(cr, fplog, "Rerun with energy groups is not implemented for GPUs, falling back to the CPU\n");
1616         return FALSE;
1617     }
1618
1619     return TRUE;
1620 }
1621
1622 gmx_bool nbnxn_simd_supported(FILE             *fplog,
1623                               const t_commrec  *cr,
1624                               const t_inputrec *ir)
1625 {
1626     if (ir->vdwtype == evdwPME && ir->ljpme_combination_rule == eljpmeLB)
1627     {
1628         /* LJ PME with LB combination rule does 7 mesh operations.
1629          * This so slow that we don't compile SIMD non-bonded kernels
1630          * for that. */
1631         md_print_warn(cr, fplog, "LJ-PME with Lorentz-Berthelot is not supported with SIMD kernels, falling back to plain C kernels\n");
1632         return FALSE;
1633     }
1634
1635     return TRUE;
1636 }
1637
1638
1639 static void pick_nbnxn_kernel_cpu(const t_inputrec gmx_unused *ir,
1640                                   int                         *kernel_type,
1641                                   int                         *ewald_excl)
1642 {
1643     *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1644     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1645
1646 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1647     {
1648 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1649         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1650 #endif
1651 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1652         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1653 #endif
1654
1655 #if defined GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && defined GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1656         /* We need to choose if we want 2x(N+N) or 4xN kernels.
1657          * Currently this is based on the SIMD acceleration choice,
1658          * but it might be better to decide this at runtime based on CPU.
1659          *
1660          * 4xN calculates more (zero) interactions, but has less pair-search
1661          * work and much better kernel instruction scheduling.
1662          *
1663          * Up till now we have only seen that on Intel Sandy/Ivy Bridge,
1664          * which doesn't have FMA, both the analytical and tabulated Ewald
1665          * kernels have similar pair rates for 4x8 and 2x(4+4), so we choose
1666          * 2x(4+4) because it results in significantly fewer pairs.
1667          * For RF, the raw pair rate of the 4x8 kernel is higher than 2x(4+4),
1668          * 10% with HT, 50% without HT. As we currently don't detect the actual
1669          * use of HT, use 4x8 to avoid a potential performance hit.
1670          * On Intel Haswell 4x8 is always faster.
1671          */
1672         *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1673
1674 #ifndef GMX_SIMD_HAVE_FMA
1675         if (EEL_PME_EWALD(ir->coulombtype) ||
1676             EVDW_PME(ir->vdwtype))
1677         {
1678             /* We have Ewald kernels without FMA (Intel Sandy/Ivy Bridge).
1679              * There are enough instructions to make 2x(4+4) efficient.
1680              */
1681             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1682         }
1683 #endif
1684 #endif  /* GMX_NBNXN_SIMD_2XNN && GMX_NBNXN_SIMD_4XN */
1685
1686
1687         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_4XN") != NULL)
1688         {
1689 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
1690             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_4xN;
1691 #else
1692             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 4xN kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1693 #endif
1694         }
1695         if (getenv("GMX_NBNXN_SIMD_2XNN") != NULL)
1696         {
1697 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
1698             *kernel_type = nbnxnk4xN_SIMD_2xNN;
1699 #else
1700             gmx_fatal(FARGS, "SIMD 2x(N+N) kernels requested, but GROMACS has been compiled without support for these kernels");
1701 #endif
1702         }
1703
1704         /* Analytical Ewald exclusion correction is only an option in
1705          * the SIMD kernel.
1706          * Since table lookup's don't parallelize with SIMD, analytical
1707          * will probably always be faster for a SIMD width of 8 or more.
1708          * With FMA analytical is sometimes faster for a width if 4 as well.
1709          * On BlueGene/Q, this is faster regardless of precision.
1710          * In single precision, this is faster on Bulldozer.
1711          */
1712 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 8 || \
1713         (GMX_SIMD_REAL_WIDTH >= 4 && defined GMX_SIMD_HAVE_FMA && !defined GMX_DOUBLE) || \
1714         defined GMX_SIMD_IBM_QPX
1715         *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1716 #endif
1717         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_TABLE") != NULL)
1718         {
1719             *ewald_excl = ewaldexclTable;
1720         }
1721         if (getenv("GMX_NBNXN_EWALD_ANALYTICAL") != NULL)
1722         {
1723             *ewald_excl = ewaldexclAnalytical;
1724         }
1725
1726     }
1727 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
1728 }
1729
1730
1731 const char *lookup_nbnxn_kernel_name(int kernel_type)
1732 {
1733     const char *returnvalue = NULL;
1734     switch (kernel_type)
1735     {
1736         case nbnxnkNotSet:
1737             returnvalue = "not set";
1738             break;
1739         case nbnxnk4x4_PlainC:
1740             returnvalue = "plain C";
1741             break;
1742         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
1743         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
1744 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1745 #if defined GMX_SIMD_X86_SSE2
1746             returnvalue = "SSE2";
1747 #elif defined GMX_SIMD_X86_SSE4_1
1748             returnvalue = "SSE4.1";
1749 #elif defined GMX_SIMD_X86_AVX_128_FMA
1750             returnvalue = "AVX_128_FMA";
1751 #elif defined GMX_SIMD_X86_AVX_256
1752             returnvalue = "AVX_256";
1753 #elif defined GMX_SIMD_X86_AVX2_256
1754             returnvalue = "AVX2_256";
1755 #else
1756             returnvalue = "SIMD";
1757 #endif
1758 #else  /* GMX_NBNXN_SIMD */
1759             returnvalue = "not available";
1760 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
1761             break;
1762         case nbnxnk8x8x8_GPU: returnvalue    = "GPU"; break;
1763         case nbnxnk8x8x8_PlainC: returnvalue = "plain C"; break;
1764
1765         case nbnxnkNR:
1766         default:
1767             gmx_fatal(FARGS, "Illegal kernel type selected");
1768             returnvalue = NULL;
1769             break;
1770     }
1771     return returnvalue;
1772 };
1773
1774 static void pick_nbnxn_kernel(FILE                *fp,
1775                               const t_commrec     *cr,
1776                               gmx_bool             use_simd_kernels,
1777                               gmx_bool             bUseGPU,
1778                               gmx_bool             bEmulateGPU,
1779                               const t_inputrec    *ir,
1780                               int                 *kernel_type,
1781                               int                 *ewald_excl,
1782                               gmx_bool             bDoNonbonded)
1783 {
1784     assert(kernel_type);
1785
1786     *kernel_type = nbnxnkNotSet;
1787     *ewald_excl  = ewaldexclTable;
1788
1789     if (bEmulateGPU)
1790     {
1791         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_PlainC;
1792
1793         if (bDoNonbonded)
1794         {
1795             md_print_warn(cr, fp, "Emulating a GPU run on the CPU (slow)");
1796         }
1797     }
1798     else if (bUseGPU)
1799     {
1800         *kernel_type = nbnxnk8x8x8_GPU;
1801     }
1802
1803     if (*kernel_type == nbnxnkNotSet)
1804     {
1805         if (use_simd_kernels &&
1806             nbnxn_simd_supported(fp, cr, ir))
1807         {
1808             pick_nbnxn_kernel_cpu(ir, kernel_type, ewald_excl);
1809         }
1810         else
1811         {
1812             *kernel_type = nbnxnk4x4_PlainC;
1813         }
1814     }
1815
1816     if (bDoNonbonded && fp != NULL)
1817     {
1818         fprintf(fp, "\nUsing %s %dx%d non-bonded kernels\n\n",
1819                 lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type),
1820                 nbnxn_kernel_to_ci_size(*kernel_type),
1821                 nbnxn_kernel_to_cj_size(*kernel_type));
1822
1823         if (nbnxnk4x4_PlainC == *kernel_type ||
1824             nbnxnk8x8x8_PlainC == *kernel_type)
1825         {
1826             md_print_warn(cr, fp,
1827                           "WARNING: Using the slow %s kernels. This should\n"
1828                           "not happen during routine usage on supported platforms.\n\n",
1829                           lookup_nbnxn_kernel_name(*kernel_type));
1830         }
1831     }
1832 }
1833
1834 static void pick_nbnxn_resources(FILE                *fp,
1835                                  const t_commrec     *cr,
1836                                  const gmx_hw_info_t *hwinfo,
1837                                  gmx_bool             bDoNonbonded,
1838                                  gmx_bool            *bUseGPU,
1839                                  gmx_bool            *bEmulateGPU,
1840                                  const gmx_gpu_opt_t *gpu_opt)
1841 {
1842     gmx_bool bEmulateGPUEnvVarSet;
1843     char     gpu_err_str[STRLEN];
1844
1845     *bUseGPU = FALSE;
1846
1847     bEmulateGPUEnvVarSet = (getenv("GMX_EMULATE_GPU") != NULL);
1848
1849     /* Run GPU emulation mode if GMX_EMULATE_GPU is defined. Because
1850      * GPUs (currently) only handle non-bonded calculations, we will
1851      * automatically switch to emulation if non-bonded calculations are
1852      * turned off via GMX_NO_NONBONDED - this is the simple and elegant
1853      * way to turn off GPU initialization, data movement, and cleanup.
1854      *
1855      * GPU emulation can be useful to assess the performance one can expect by
1856      * adding GPU(s) to the machine. The conditional below allows this even
1857      * if mdrun is compiled without GPU acceleration support.
1858      * Note that you should freezing the system as otherwise it will explode.
1859      */
1860     *bEmulateGPU = (bEmulateGPUEnvVarSet ||
1861                     (!bDoNonbonded && gpu_opt->n_dev_use > 0));
1862
1863     /* Enable GPU mode when GPUs are available or no GPU emulation is requested.
1864      */
1865     if (gpu_opt->n_dev_use > 0 && !(*bEmulateGPU))
1866     {
1867         /* Each PP node will use the intra-node id-th device from the
1868          * list of detected/selected GPUs. */
1869         if (!init_gpu(fp, cr->rank_pp_intranode, gpu_err_str,
1870                       &hwinfo->gpu_info, gpu_opt))
1871         {
1872             /* At this point the init should never fail as we made sure that
1873              * we have all the GPUs we need. If it still does, we'll bail. */
1874             /* TODO the decorating of gpu_err_str is nicer if it
1875                happens inside init_gpu. Out here, the decorating with
1876                the MPI rank makes sense. */
1877             gmx_fatal(FARGS, "On rank %d failed to initialize GPU #%d: %s",
1878                       cr->nodeid,
1879                       get_gpu_device_id(&hwinfo->gpu_info, gpu_opt,
1880                                         cr->rank_pp_intranode),
1881                       gpu_err_str);
1882         }
1883
1884         /* Here we actually turn on hardware GPU acceleration */
1885         *bUseGPU = TRUE;
1886     }
1887 }
1888
1889 gmx_bool uses_simple_tables(int                 cutoff_scheme,
1890                             nonbonded_verlet_t *nbv,
1891                             int                 group)
1892 {
1893     gmx_bool bUsesSimpleTables = TRUE;
1894     int      grp_index;
1895
1896     switch (cutoff_scheme)
1897     {
1898         case ecutsGROUP:
1899             bUsesSimpleTables = TRUE;
1900             break;
1901         case ecutsVERLET:
1902             assert(NULL != nbv && NULL != nbv->grp);
1903             grp_index         = (group < 0) ? 0 : (nbv->ngrp - 1);
1904             bUsesSimpleTables = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[grp_index].kernel_type);
1905             break;
1906         default:
1907             gmx_incons("unimplemented");
1908     }
1909     return bUsesSimpleTables;
1910 }
1911
1912 static void init_ewald_f_table(interaction_const_t *ic,
1913                                real                 rtab)
1914 {
1915     real maxr;
1916
1917     /* Get the Ewald table spacing based on Coulomb and/or LJ
1918      * Ewald coefficients and rtol.
1919      */
1920     ic->tabq_scale = ewald_spline3_table_scale(ic);
1921
1922     if (ic->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
1923     {
1924         maxr = ic->rcoulomb;
1925     }
1926     else
1927     {
1928         maxr = std::max(ic->rcoulomb, rtab);
1929     }
1930     ic->tabq_size  = static_cast<int>(maxr*ic->tabq_scale) + 2;
1931
1932     sfree_aligned(ic->tabq_coul_FDV0);
1933     sfree_aligned(ic->tabq_coul_F);
1934     sfree_aligned(ic->tabq_coul_V);
1935
1936     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0);
1937     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_F);
1938     sfree_aligned(ic->tabq_vdw_V);
1939
1940     if (ic->eeltype == eelEWALD || EEL_PME(ic->eeltype))
1941     {
1942         /* Create the original table data in FDV0 */
1943         snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1944         snew_aligned(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_size, 32);
1945         snew_aligned(ic->tabq_coul_V, ic->tabq_size, 32);
1946         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_coul_F, ic->tabq_coul_V, ic->tabq_coul_FDV0,
1947                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_q, v_q_ewald_lr);
1948     }
1949
1950     if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
1951     {
1952         snew_aligned(ic->tabq_vdw_FDV0, ic->tabq_size*4, 32);
1953         snew_aligned(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_size, 32);
1954         snew_aligned(ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_size, 32);
1955         table_spline3_fill_ewald_lr(ic->tabq_vdw_F, ic->tabq_vdw_V, ic->tabq_vdw_FDV0,
1956                                     ic->tabq_size, 1/ic->tabq_scale, ic->ewaldcoeff_lj, v_lj_ewald_lr);
1957     }
1958 }
1959
1960 void init_interaction_const_tables(FILE                *fp,
1961                                    interaction_const_t *ic,
1962                                    real                 rtab)
1963 {
1964     if (ic->eeltype == eelEWALD || EEL_PME(ic->eeltype) || EVDW_PME(ic->vdwtype))
1965     {
1966         init_ewald_f_table(ic, rtab);
1967
1968         if (fp != NULL)
1969         {
1970             fprintf(fp, "Initialized non-bonded Ewald correction tables, spacing: %.2e size: %d\n\n",
1971                     1/ic->tabq_scale, ic->tabq_size);
1972         }
1973     }
1974 }
1975
1976 static void clear_force_switch_constants(shift_consts_t *sc)
1977 {
1978     sc->c2   = 0;
1979     sc->c3   = 0;
1980     sc->cpot = 0;
1981 }
1982
1983 static void force_switch_constants(real p,
1984                                    real rsw, real rc,
1985                                    shift_consts_t *sc)
1986 {
1987     /* Here we determine the coefficient for shifting the force to zero
1988      * between distance rsw and the cut-off rc.
1989      * For a potential of r^-p, we have force p*r^-(p+1).
1990      * But to save flops we absorb p in the coefficient.
1991      * Thus we get:
1992      * force/p   = r^-(p+1) + c2*r^2 + c3*r^3
1993      * potential = r^-p + c2/3*r^3 + c3/4*r^4 + cpot
1994      */
1995     sc->c2   =  ((p + 1)*rsw - (p + 4)*rc)/(pow(rc, p + 2)*pow(rc - rsw, 2));
1996     sc->c3   = -((p + 1)*rsw - (p + 3)*rc)/(pow(rc, p + 2)*pow(rc - rsw, 3));
1997     sc->cpot = -pow(rc, -p) + p*sc->c2/3*pow(rc - rsw, 3) + p*sc->c3/4*pow(rc - rsw, 4);
1998 }
1999
2000 static void potential_switch_constants(real rsw, real rc,
2001                                        switch_consts_t *sc)
2002 {
2003     /* The switch function is 1 at rsw and 0 at rc.
2004      * The derivative and second derivate are zero at both ends.
2005      * rsw        = max(r - r_switch, 0)
2006      * sw         = 1 + c3*rsw^3 + c4*rsw^4 + c5*rsw^5
2007      * dsw        = 3*c3*rsw^2 + 4*c4*rsw^3 + 5*c5*rsw^4
2008      * force      = force*dsw - potential*sw
2009      * potential *= sw
2010      */
2011     sc->c3 = -10*pow(rc - rsw, -3);
2012     sc->c4 =  15*pow(rc - rsw, -4);
2013     sc->c5 =  -6*pow(rc - rsw, -5);
2014 }
2015
2016 /*! \brief Construct interaction constants
2017  *
2018  * This data is used (particularly) by search and force code for
2019  * short-range interactions. Many of these are constant for the whole
2020  * simulation; some are constant only after PME tuning completes.
2021  */
2022 static void
2023 init_interaction_const(FILE                       *fp,
2024                        interaction_const_t       **interaction_const,
2025                        const t_forcerec           *fr)
2026 {
2027     interaction_const_t *ic;
2028     const real           minusSix          = -6.0;
2029     const real           minusTwelve       = -12.0;
2030
2031     snew(ic, 1);
2032
2033     ic->cutoff_scheme   = fr->cutoff_scheme;
2034
2035     /* Just allocate something so we can free it */
2036     snew_aligned(ic->tabq_coul_FDV0, 16, 32);
2037     snew_aligned(ic->tabq_coul_F, 16, 32);
2038     snew_aligned(ic->tabq_coul_V, 16, 32);
2039
2040     ic->rlist           = fr->rlist;
2041     ic->rlistlong       = fr->rlistlong;
2042
2043     /* Lennard-Jones */
2044     ic->vdwtype         = fr->vdwtype;
2045     ic->vdw_modifier    = fr->vdw_modifier;
2046     ic->rvdw            = fr->rvdw;
2047     ic->rvdw_switch     = fr->rvdw_switch;
2048     ic->ewaldcoeff_lj   = fr->ewaldcoeff_lj;
2049     ic->ljpme_comb_rule = fr->ljpme_combination_rule;
2050     ic->sh_lj_ewald     = 0;
2051     clear_force_switch_constants(&ic->dispersion_shift);
2052     clear_force_switch_constants(&ic->repulsion_shift);
2053
2054     switch (ic->vdw_modifier)
2055     {
2056         case eintmodPOTSHIFT:
2057             /* Only shift the potential, don't touch the force */
2058             ic->dispersion_shift.cpot = -pow(ic->rvdw, minusSix);
2059             ic->repulsion_shift.cpot  = -pow(ic->rvdw, minusTwelve);
2060             if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2061             {
2062                 real crc2;
2063
2064                 crc2            = sqr(ic->ewaldcoeff_lj*ic->rvdw);
2065                 ic->sh_lj_ewald = (exp(-crc2)*(1 + crc2 + 0.5*crc2*crc2) - 1)*pow(ic->rvdw, minusSix);
2066             }
2067             break;
2068         case eintmodFORCESWITCH:
2069             /* Switch the force, switch and shift the potential */
2070             force_switch_constants(6.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2071                                    &ic->dispersion_shift);
2072             force_switch_constants(12.0, ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2073                                    &ic->repulsion_shift);
2074             break;
2075         case eintmodPOTSWITCH:
2076             /* Switch the potential and force */
2077             potential_switch_constants(ic->rvdw_switch, ic->rvdw,
2078                                        &ic->vdw_switch);
2079             break;
2080         case eintmodNONE:
2081         case eintmodEXACTCUTOFF:
2082             /* Nothing to do here */
2083             break;
2084         default:
2085             gmx_incons("unimplemented potential modifier");
2086     }
2087
2088     ic->sh_invrc6 = -ic->dispersion_shift.cpot;
2089
2090     /* Electrostatics */
2091     ic->eeltype          = fr->eeltype;
2092     ic->coulomb_modifier = fr->coulomb_modifier;
2093     ic->rcoulomb         = fr->rcoulomb;
2094     ic->epsilon_r        = fr->epsilon_r;
2095     ic->epsfac           = fr->epsfac;
2096     ic->ewaldcoeff_q     = fr->ewaldcoeff_q;
2097
2098     if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2099     {
2100         ic->sh_ewald = gmx_erfc(ic->ewaldcoeff_q*ic->rcoulomb);
2101     }
2102     else
2103     {
2104         ic->sh_ewald = 0;
2105     }
2106
2107     /* Reaction-field */
2108     if (EEL_RF(ic->eeltype))
2109     {
2110         ic->epsilon_rf = fr->epsilon_rf;
2111         ic->k_rf       = fr->k_rf;
2112         ic->c_rf       = fr->c_rf;
2113     }
2114     else
2115     {
2116         /* For plain cut-off we might use the reaction-field kernels */
2117         ic->epsilon_rf = ic->epsilon_r;
2118         ic->k_rf       = 0;
2119         if (fr->coulomb_modifier == eintmodPOTSHIFT)
2120         {
2121             ic->c_rf   = 1/ic->rcoulomb;
2122         }
2123         else
2124         {
2125             ic->c_rf   = 0;
2126         }
2127     }
2128
2129     if (fp != NULL)
2130     {
2131         real dispersion_shift;
2132
2133         dispersion_shift = ic->dispersion_shift.cpot;
2134         if (EVDW_PME(ic->vdwtype))
2135         {
2136             dispersion_shift -= ic->sh_lj_ewald;
2137         }
2138         fprintf(fp, "Potential shift: LJ r^-12: %.3e r^-6: %.3e",
2139                 ic->repulsion_shift.cpot, dispersion_shift);
2140
2141         if (ic->eeltype == eelCUT)
2142         {
2143             fprintf(fp, ", Coulomb %.e", -ic->c_rf);
2144         }
2145         else if (EEL_PME(ic->eeltype))
2146         {
2147             fprintf(fp, ", Ewald %.3e", -ic->sh_ewald);
2148         }
2149         fprintf(fp, "\n");
2150     }
2151
2152     *interaction_const = ic;
2153 }
2154
2155 static void init_nb_verlet(FILE                *fp,
2156                            nonbonded_verlet_t **nb_verlet,
2157                            gmx_bool             bFEP_NonBonded,
2158                            const t_inputrec    *ir,
2159                            const t_forcerec    *fr,
2160                            const t_commrec     *cr,
2161                            const char          *nbpu_opt)
2162 {
2163     nonbonded_verlet_t *nbv;
2164     int                 i;
2165     char               *env;
2166     gmx_bool            bEmulateGPU, bHybridGPURun = FALSE;
2167
2168     nbnxn_alloc_t      *nb_alloc;
2169     nbnxn_free_t       *nb_free;
2170
2171     snew(nbv, 1);
2172
2173     pick_nbnxn_resources(fp, cr, fr->hwinfo,
2174                          fr->bNonbonded,
2175                          &nbv->bUseGPU,
2176                          &bEmulateGPU,
2177                          fr->gpu_opt);
2178
2179     nbv->nbs             = NULL;
2180     nbv->min_ci_balanced = 0;
2181
2182     nbv->ngrp = (DOMAINDECOMP(cr) ? 2 : 1);
2183     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2184     {
2185         nbv->grp[i].nbl_lists.nnbl = 0;
2186         nbv->grp[i].nbat           = NULL;
2187         nbv->grp[i].kernel_type    = nbnxnkNotSet;
2188
2189         if (i == 0) /* local */
2190         {
2191             pick_nbnxn_kernel(fp, cr, fr->use_simd_kernels,
2192                               nbv->bUseGPU, bEmulateGPU, ir,
2193                               &nbv->grp[i].kernel_type,
2194                               &nbv->grp[i].ewald_excl,
2195                               fr->bNonbonded);
2196         }
2197         else /* non-local */
2198         {
2199             if (nbpu_opt != NULL && strcmp(nbpu_opt, "gpu_cpu") == 0)
2200             {
2201                 /* Use GPU for local, select a CPU kernel for non-local */
2202                 pick_nbnxn_kernel(fp, cr, fr->use_simd_kernels,
2203                                   FALSE, FALSE, ir,
2204                                   &nbv->grp[i].kernel_type,
2205                                   &nbv->grp[i].ewald_excl,
2206                                   fr->bNonbonded);
2207
2208                 bHybridGPURun = TRUE;
2209             }
2210             else
2211             {
2212                 /* Use the same kernel for local and non-local interactions */
2213                 nbv->grp[i].kernel_type = nbv->grp[0].kernel_type;
2214                 nbv->grp[i].ewald_excl  = nbv->grp[0].ewald_excl;
2215             }
2216         }
2217     }
2218
2219     nbnxn_init_search(&nbv->nbs,
2220                       DOMAINDECOMP(cr) ? &cr->dd->nc : NULL,
2221                       DOMAINDECOMP(cr) ? domdec_zones(cr->dd) : NULL,
2222                       bFEP_NonBonded,
2223                       gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch));
2224
2225     for (i = 0; i < nbv->ngrp; i++)
2226     {
2227         gpu_set_host_malloc_and_free(nbv->grp[0].kernel_type == nbnxnk8x8x8_GPU,
2228                                      &nb_alloc, &nb_free);
2229
2230         nbnxn_init_pairlist_set(&nbv->grp[i].nbl_lists,
2231                                 nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2232                                 /* 8x8x8 "non-simple" lists are ATM always combined */
2233                                 !nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type),
2234                                 nb_alloc, nb_free);
2235
2236         if (i == 0 ||
2237             nbv->grp[0].kernel_type != nbv->grp[i].kernel_type)
2238         {
2239             gmx_bool bSimpleList;
2240             int      enbnxninitcombrule;
2241
2242             bSimpleList = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nbv->grp[i].kernel_type);
2243
2244             if (bSimpleList && (fr->vdwtype == evdwCUT && (fr->vdw_modifier == eintmodNONE || fr->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)))
2245             {
2246                 /* Plain LJ cut-off: we can optimize with combination rules */
2247                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleDETECT;
2248             }
2249             else if (fr->vdwtype == evdwPME)
2250             {
2251                 /* LJ-PME: we need to use a combination rule for the grid */
2252                 if (fr->ljpme_combination_rule == eljpmeGEOM)
2253                 {
2254                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleGEOM;
2255                 }
2256                 else
2257                 {
2258                     enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleLB;
2259                 }
2260             }
2261             else
2262             {
2263                 /* We use a full combination matrix: no rule required */
2264                 enbnxninitcombrule = enbnxninitcombruleNONE;
2265             }
2266
2267
2268             snew(nbv->grp[i].nbat, 1);
2269             nbnxn_atomdata_init(fp,
2270                                 nbv->grp[i].nbat,
2271                                 nbv->grp[i].kernel_type,
2272                                 enbnxninitcombrule,
2273                                 fr->ntype, fr->nbfp,
2274                                 ir->opts.ngener,
2275                                 bSimpleList ? gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) : 1,
2276                                 nb_alloc, nb_free);
2277         }
2278         else
2279         {
2280             nbv->grp[i].nbat = nbv->grp[0].nbat;
2281         }
2282     }
2283
2284     if (nbv->bUseGPU)
2285     {
2286         /* init the NxN GPU data; the last argument tells whether we'll have
2287          * both local and non-local NB calculation on GPU */
2288         nbnxn_gpu_init(fp, &nbv->gpu_nbv,
2289                        &fr->hwinfo->gpu_info,
2290                        fr->gpu_opt,
2291                        fr->ic,
2292                        nbv->grp,
2293                        cr->rank_pp_intranode,
2294                        cr->nodeid,
2295                        (nbv->ngrp > 1) && !bHybridGPURun);
2296
2297         /* With tMPI + GPUs some ranks may be sharing GPU(s) and therefore
2298          * also sharing texture references. To keep the code simple, we don't
2299          * treat texture references as shared resources, but this means that
2300          * the coulomb_tab and nbfp texture refs will get updated by multiple threads.
2301          * Hence, to ensure that the non-bonded kernels don't start before all
2302          * texture binding operations are finished, we need to wait for all ranks
2303          * to arrive here before continuing.
2304          *
2305          * Note that we could omit this barrier if GPUs are not shared (or
2306          * texture objects are used), but as this is initialization code, there
2307          * is no point in complicating things.
2308          */
2309 #ifdef GMX_THREAD_MPI
2310         if (PAR(cr))
2311         {
2312             gmx_barrier(cr);
2313         }
2314 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
2315
2316         if ((env = getenv("GMX_NB_MIN_CI")) != NULL)
2317         {
2318             char *end;
2319
2320             nbv->min_ci_balanced = strtol(env, &end, 10);
2321             if (!end || (*end != 0) || nbv->min_ci_balanced <= 0)
2322             {
2323                 gmx_fatal(FARGS, "Invalid value passed in GMX_NB_MIN_CI=%s, positive integer required", env);
2324             }
2325
2326             if (debug)
2327             {
2328                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (passed as env. var.)\n",
2329                         nbv->min_ci_balanced);
2330             }
2331         }
2332         else
2333         {
2334             nbv->min_ci_balanced = nbnxn_gpu_min_ci_balanced(nbv->gpu_nbv);
2335             if (debug)
2336             {
2337                 fprintf(debug, "Neighbor-list balancing parameter: %d (auto-adjusted to the number of GPU multi-processors)\n",
2338                         nbv->min_ci_balanced);
2339             }
2340         }
2341
2342     }
2343
2344     *nb_verlet = nbv;
2345 }
2346
2347 gmx_bool usingGpu(nonbonded_verlet_t *nbv)
2348 {
2349     return nbv != NULL && nbv->bUseGPU;
2350 }
2351
2352 void init_forcerec(FILE              *fp,
2353                    const output_env_t oenv,
2354                    t_forcerec        *fr,
2355                    t_fcdata          *fcd,
2356                    const t_inputrec  *ir,
2357                    const gmx_mtop_t  *mtop,
2358                    const t_commrec   *cr,
2359                    matrix             box,
2360                    const char        *tabfn,
2361                    const char        *tabafn,
2362                    const char        *tabpfn,
2363                    const t_filenm    *tabbfnm,
2364                    const char        *nbpu_opt,
2365                    gmx_bool           bNoSolvOpt,
2366                    real               print_force)
2367 {
2368     int            i, m, negp_pp, negptable, egi, egj;
2369     real           rtab;
2370     char          *env;
2371     double         dbl;
2372     const t_block *cgs;
2373     gmx_bool       bGenericKernelOnly;
2374     gmx_bool       bMakeTables, bMakeSeparate14Table, bSomeNormalNbListsAreInUse;
2375     gmx_bool       bFEP_NonBonded;
2376     int           *nm_ind, egp_flags;
2377
2378     if (fr->hwinfo == NULL)
2379     {
2380         /* Detect hardware, gather information.
2381          * In mdrun, hwinfo has already been set before calling init_forcerec.
2382          * Here we ignore GPUs, as tools will not use them anyhow.
2383          */
2384         fr->hwinfo = gmx_detect_hardware(fp, cr, FALSE);
2385     }
2386
2387     /* By default we turn SIMD kernels on, but it might be turned off further down... */
2388     fr->use_simd_kernels = TRUE;
2389
2390     fr->bDomDec = DOMAINDECOMP(cr);
2391
2392     if (check_box(ir->ePBC, box))
2393     {
2394         gmx_fatal(FARGS, check_box(ir->ePBC, box));
2395     }
2396
2397     /* Test particle insertion ? */
2398     if (EI_TPI(ir->eI))
2399     {
2400         /* Set to the size of the molecule to be inserted (the last one) */
2401         /* Because of old style topologies, we have to use the last cg
2402          * instead of the last molecule type.
2403          */
2404         cgs       = &mtop->moltype[mtop->molblock[mtop->nmolblock-1].type].cgs;
2405         fr->n_tpi = cgs->index[cgs->nr] - cgs->index[cgs->nr-1];
2406         if (fr->n_tpi != mtop->mols.index[mtop->mols.nr] - mtop->mols.index[mtop->mols.nr-1])
2407         {
2408             gmx_fatal(FARGS, "The molecule to insert can not consist of multiple charge groups.\nMake it a single charge group.");
2409         }
2410     }
2411     else
2412     {
2413         fr->n_tpi = 0;
2414     }
2415
2416     /* Copy AdResS parameters */
2417     if (ir->bAdress)
2418     {
2419         fr->adress_type           = ir->adress->type;
2420         fr->adress_const_wf       = ir->adress->const_wf;
2421         fr->adress_ex_width       = ir->adress->ex_width;
2422         fr->adress_hy_width       = ir->adress->hy_width;
2423         fr->adress_icor           = ir->adress->icor;
2424         fr->adress_site           = ir->adress->site;
2425         fr->adress_ex_forcecap    = ir->adress->ex_forcecap;
2426         fr->adress_do_hybridpairs = ir->adress->do_hybridpairs;
2427
2428
2429         snew(fr->adress_group_explicit, ir->adress->n_energy_grps);
2430         for (i = 0; i < ir->adress->n_energy_grps; i++)
2431         {
2432             fr->adress_group_explicit[i] = ir->adress->group_explicit[i];
2433         }
2434
2435         fr->n_adress_tf_grps = ir->adress->n_tf_grps;
2436         snew(fr->adress_tf_table_index, fr->n_adress_tf_grps);
2437         for (i = 0; i < fr->n_adress_tf_grps; i++)
2438         {
2439             fr->adress_tf_table_index[i] = ir->adress->tf_table_index[i];
2440         }
2441         copy_rvec(ir->adress->refs, fr->adress_refs);
2442     }
2443     else
2444     {
2445         fr->adress_type           = eAdressOff;
2446         fr->adress_do_hybridpairs = FALSE;
2447     }
2448
2449     /* Copy the user determined parameters */
2450     fr->userint1  = ir->userint1;
2451     fr->userint2  = ir->userint2;
2452     fr->userint3  = ir->userint3;
2453     fr->userint4  = ir->userint4;
2454     fr->userreal1 = ir->userreal1;
2455     fr->userreal2 = ir->userreal2;
2456     fr->userreal3 = ir->userreal3;
2457     fr->userreal4 = ir->userreal4;
2458
2459     /* Shell stuff */
2460     fr->fc_stepsize = ir->fc_stepsize;
2461
2462     /* Free energy */
2463     fr->efep        = ir->efep;
2464     fr->sc_alphavdw = ir->fepvals->sc_alpha;
2465     if (ir->fepvals->bScCoul)
2466     {
2467         fr->sc_alphacoul  = ir->fepvals->sc_alpha;
2468         fr->sc_sigma6_min = pow(ir->fepvals->sc_sigma_min, 6);
2469     }
2470     else
2471     {
2472         fr->sc_alphacoul  = 0;
2473         fr->sc_sigma6_min = 0; /* only needed when bScCoul is on */
2474     }
2475     fr->sc_power      = ir->fepvals->sc_power;
2476     fr->sc_r_power    = ir->fepvals->sc_r_power;
2477     fr->sc_sigma6_def = pow(ir->fepvals->sc_sigma, 6);
2478
2479     env = getenv("GMX_SCSIGMA_MIN");
2480     if (env != NULL)
2481     {
2482         dbl = 0;
2483         sscanf(env, "%20lf", &dbl);
2484         fr->sc_sigma6_min = pow(dbl, 6);
2485         if (fp)
2486         {
2487             fprintf(fp, "Setting the minimum soft core sigma to %g nm\n", dbl);
2488         }
2489     }
2490
2491     fr->bNonbonded = TRUE;
2492     if (getenv("GMX_NO_NONBONDED") != NULL)
2493     {
2494         /* turn off non-bonded calculations */
2495         fr->bNonbonded = FALSE;
2496         md_print_warn(cr, fp,
2497                       "Found environment variable GMX_NO_NONBONDED.\n"
2498                       "Disabling nonbonded calculations.\n");
2499     }
2500
2501     bGenericKernelOnly = FALSE;
2502
2503     /* We now check in the NS code whether a particular combination of interactions
2504      * can be used with water optimization, and disable it if that is not the case.
2505      */
2506
2507     if (getenv("GMX_NB_GENERIC") != NULL)
2508     {
2509         if (fp != NULL)
2510         {
2511             fprintf(fp,
2512                     "Found environment variable GMX_NB_GENERIC.\n"
2513                     "Disabling all interaction-specific nonbonded kernels, will only\n"
2514                     "use the slow generic ones in src/gmxlib/nonbonded/nb_generic.c\n\n");
2515         }
2516         bGenericKernelOnly = TRUE;
2517     }
2518
2519     if (bGenericKernelOnly == TRUE)
2520     {
2521         bNoSolvOpt         = TRUE;
2522     }
2523
2524     if ( (getenv("GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS") != NULL) || (getenv("GMX_NOOPTIMIZEDKERNELS") != NULL) )
2525     {
2526         fr->use_simd_kernels = FALSE;
2527         if (fp != NULL)
2528         {
2529             fprintf(fp,
2530                     "\nFound environment variable GMX_DISABLE_SIMD_KERNELS.\n"
2531                     "Disabling the usage of any SIMD-specific non-bonded & bonded kernel routines\n"
2532                     "(e.g. SSE2/SSE4.1/AVX).\n\n");
2533         }
2534     }
2535
2536     fr->bBHAM = (mtop->ffparams.functype[0] == F_BHAM);
2537
2538     /* Check if we can/should do all-vs-all kernels */
2539     fr->bAllvsAll       = can_use_allvsall(ir, FALSE, NULL, NULL);
2540     fr->AllvsAll_work   = NULL;
2541     fr->AllvsAll_workgb = NULL;
2542
2543     /* All-vs-all kernels have not been implemented in 4.6 and later.
2544      * See Redmine #1249. */
2545     if (fr->bAllvsAll)
2546     {
2547         fr->bAllvsAll            = FALSE;
2548         if (fp != NULL)
2549         {
2550             fprintf(fp,
2551                     "\nYour simulation settings would have triggered the efficient all-vs-all\n"
2552                     "kernels in GROMACS 4.5, but these have not been implemented in GROMACS\n"
2553                     "4.6 and 5.x. If performance is important, please use GROMACS 4.5.7\n"
2554                     "or try cutoff-scheme = Verlet.\n\n");
2555         }
2556     }
2557
2558     /* Neighbour searching stuff */
2559     fr->cutoff_scheme = ir->cutoff_scheme;
2560     fr->bGrid         = (ir->ns_type == ensGRID);
2561     fr->ePBC          = ir->ePBC;
2562
2563     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2564     {
2565         const char *note = "NOTE: This file uses the deprecated 'group' cutoff_scheme. This will be\n"
2566             "removed in a future release when 'verlet' supports all interaction forms.\n";
2567
2568         if (MASTER(cr))
2569         {
2570             fprintf(stderr, "\n%s\n", note);
2571         }
2572         if (fp != NULL)
2573         {
2574             fprintf(fp, "\n%s\n", note);
2575         }
2576     }
2577
2578     /* Determine if we will do PBC for distances in bonded interactions */
2579     if (fr->ePBC == epbcNONE)
2580     {
2581         fr->bMolPBC = FALSE;
2582     }
2583     else
2584     {
2585         if (!DOMAINDECOMP(cr))
2586         {
2587             gmx_bool bSHAKE;
2588
2589             bSHAKE = (ir->eConstrAlg == econtSHAKE &&
2590                       (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTR) > 0 ||
2591                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_CONSTRNC) > 0));
2592
2593             /* The group cut-off scheme and SHAKE assume charge groups
2594              * are whole, but not using molpbc is faster in most cases.
2595              * With intermolecular interactions we need PBC for calculating
2596              * distances between atoms in different molecules.
2597              */
2598             if ((fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP || bSHAKE) &&
2599                 !mtop->bIntermolecularInteractions)
2600             {
2601                 fr->bMolPBC = ir->bPeriodicMols;
2602
2603                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2604                 {
2605                     gmx_fatal(FARGS, "SHAKE is not supported with periodic molecules");
2606                 }
2607             }
2608             else
2609             {
2610                 fr->bMolPBC = TRUE;
2611
2612                 if (getenv("GMX_USE_GRAPH") != NULL)
2613                 {
2614                     fr->bMolPBC = FALSE;
2615                     if (fp)
2616                     {
2617                         md_print_warn(cr, fp, "GMX_USE_GRAPH is set, using the graph for bonded interactions\n");
2618                     }
2619
2620                     if (mtop->bIntermolecularInteractions)
2621                     {
2622                         md_print_warn(cr, fp, "WARNING: Molecules linked by intermolecular interactions have to reside in the same periodic image, otherwise artifacts will occur!\n");
2623                     }
2624                 }
2625
2626                 if (bSHAKE && fr->bMolPBC)
2627                 {
2628                     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");
2629                 }
2630             }
2631         }
2632         else
2633         {
2634             fr->bMolPBC = dd_bonded_molpbc(cr->dd, fr->ePBC);
2635         }
2636     }
2637     fr->bGB = (ir->implicit_solvent == eisGBSA);
2638
2639     fr->rc_scaling = ir->refcoord_scaling;
2640     copy_rvec(ir->posres_com, fr->posres_com);
2641     copy_rvec(ir->posres_comB, fr->posres_comB);
2642     fr->rlist                    = cutoff_inf(ir->rlist);
2643     fr->rlistlong                = cutoff_inf(ir->rlistlong);
2644     fr->eeltype                  = ir->coulombtype;
2645     fr->vdwtype                  = ir->vdwtype;
2646     fr->ljpme_combination_rule   = ir->ljpme_combination_rule;
2647
2648     fr->coulomb_modifier = ir->coulomb_modifier;
2649     fr->vdw_modifier     = ir->vdw_modifier;
2650
2651     /* Electrostatics: Translate from interaction-setting-in-mdp-file to kernel interaction format */
2652     switch (fr->eeltype)
2653     {
2654         case eelCUT:
2655             fr->nbkernel_elec_interaction = (fr->bGB) ? GMX_NBKERNEL_ELEC_GENERALIZEDBORN : GMX_NBKERNEL_ELEC_COULOMB;
2656             break;
2657
2658         case eelRF:
2659         case eelGRF:
2660         case eelRF_NEC:
2661             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2662             break;
2663
2664         case eelRF_ZERO:
2665             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD;
2666             fr->coulomb_modifier          = eintmodEXACTCUTOFF;
2667             break;
2668
2669         case eelSWITCH:
2670         case eelSHIFT:
2671         case eelUSER:
2672         case eelENCADSHIFT:
2673         case eelPMESWITCH:
2674         case eelPMEUSER:
2675         case eelPMEUSERSWITCH:
2676             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2677             break;
2678
2679         case eelPME:
2680         case eelP3M_AD:
2681         case eelEWALD:
2682             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_EWALD;
2683             break;
2684
2685         default:
2686             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported electrostatic interaction: %s", eel_names[fr->eeltype]);
2687             break;
2688     }
2689
2690     /* Vdw: Translate from mdp settings to kernel format */
2691     switch (fr->vdwtype)
2692     {
2693         case evdwCUT:
2694             if (fr->bBHAM)
2695             {
2696                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_BUCKINGHAM;
2697             }
2698             else
2699             {
2700                 fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LENNARDJONES;
2701             }
2702             break;
2703         case evdwPME:
2704             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_LJEWALD;
2705             break;
2706
2707         case evdwSWITCH:
2708         case evdwSHIFT:
2709         case evdwUSER:
2710         case evdwENCADSHIFT:
2711             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2712             break;
2713
2714         default:
2715             gmx_fatal(FARGS, "Unsupported vdw interaction: %s", evdw_names[fr->vdwtype]);
2716             break;
2717     }
2718
2719     /* These start out identical to ir, but might be altered if we e.g. tabulate the interaction in the kernel */
2720     fr->nbkernel_elec_modifier    = fr->coulomb_modifier;
2721     fr->nbkernel_vdw_modifier     = fr->vdw_modifier;
2722
2723     fr->rvdw             = cutoff_inf(ir->rvdw);
2724     fr->rvdw_switch      = ir->rvdw_switch;
2725     fr->rcoulomb         = cutoff_inf(ir->rcoulomb);
2726     fr->rcoulomb_switch  = ir->rcoulomb_switch;
2727
2728     fr->bTwinRange = fr->rlistlong > fr->rlist;
2729     fr->bEwald     = (EEL_PME(fr->eeltype) || fr->eeltype == eelEWALD);
2730
2731     fr->reppow     = mtop->ffparams.reppow;
2732
2733     if (ir->cutoff_scheme == ecutsGROUP)
2734     {
2735         fr->bvdwtab    = ((fr->vdwtype != evdwCUT || !gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2736                           && !EVDW_PME(fr->vdwtype));
2737         /* We have special kernels for standard Ewald and PME, but the pme-switch ones are tabulated above */
2738         fr->bcoultab   = !(fr->eeltype == eelCUT ||
2739                            fr->eeltype == eelEWALD ||
2740                            fr->eeltype == eelPME ||
2741                            fr->eeltype == eelRF ||
2742                            fr->eeltype == eelRF_ZERO);
2743
2744         /* If the user absolutely wants different switch/shift settings for coul/vdw, it is likely
2745          * going to be faster to tabulate the interaction than calling the generic kernel.
2746          * However, if generic kernels have been requested we keep things analytically.
2747          */
2748         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2749             fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH &&
2750             bGenericKernelOnly == FALSE)
2751         {
2752             if ((fr->rcoulomb_switch != fr->rvdw_switch) || (fr->rcoulomb != fr->rvdw))
2753             {
2754                 fr->bcoultab = TRUE;
2755                 /* Once we tabulate electrostatics, we can use the switch function for LJ,
2756                  * which would otherwise need two tables.
2757                  */
2758             }
2759         }
2760         else if ((fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodPOTSHIFT && fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT) ||
2761                  ((fr->nbkernel_elec_interaction == GMX_NBKERNEL_ELEC_REACTIONFIELD &&
2762                    fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodEXACTCUTOFF &&
2763                    (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH || fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT))))
2764         {
2765             if ((fr->rcoulomb != fr->rvdw) && (bGenericKernelOnly == FALSE))
2766             {
2767                 fr->bcoultab = TRUE;
2768             }
2769         }
2770
2771         if (fr->nbkernel_elec_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2772         {
2773             fr->bcoultab = TRUE;
2774         }
2775         if (fr->nbkernel_vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH)
2776         {
2777             fr->bvdwtab = TRUE;
2778         }
2779
2780         if (getenv("GMX_REQUIRE_TABLES"))
2781         {
2782             fr->bvdwtab  = TRUE;
2783             fr->bcoultab = TRUE;
2784         }
2785
2786         if (fp)
2787         {
2788             fprintf(fp, "Table routines are used for coulomb: %s\n", bool_names[fr->bcoultab]);
2789             fprintf(fp, "Table routines are used for vdw:     %s\n", bool_names[fr->bvdwtab ]);
2790         }
2791
2792         if (fr->bvdwtab == TRUE)
2793         {
2794             fr->nbkernel_vdw_interaction = GMX_NBKERNEL_VDW_CUBICSPLINETABLE;
2795             fr->nbkernel_vdw_modifier    = eintmodNONE;
2796         }
2797         if (fr->bcoultab == TRUE)
2798         {
2799             fr->nbkernel_elec_interaction = GMX_NBKERNEL_ELEC_CUBICSPLINETABLE;
2800             fr->nbkernel_elec_modifier    = eintmodNONE;
2801         }
2802     }
2803
2804     if (ir->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2805     {
2806         if (!gmx_within_tol(fr->reppow, 12.0, 10*GMX_DOUBLE_EPS))
2807         {
2808             gmx_fatal(FARGS, "Cut-off scheme %S only supports LJ repulsion power 12", ecutscheme_names[ir->cutoff_scheme]);
2809         }
2810         fr->bvdwtab  = FALSE;
2811         fr->bcoultab = FALSE;
2812     }
2813
2814     /* Tables are used for direct ewald sum */
2815     if (fr->bEwald)
2816     {
2817         if (EEL_PME(ir->coulombtype))
2818         {
2819             if (fp)
2820             {
2821                 fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for electrostatic interactions.\n");
2822             }
2823             if (ir->coulombtype == eelP3M_AD)
2824             {
2825                 please_cite(fp, "Hockney1988");
2826                 please_cite(fp, "Ballenegger2012");
2827             }
2828             else
2829             {
2830                 please_cite(fp, "Essmann95a");
2831             }
2832
2833             if (ir->ewald_geometry == eewg3DC)
2834             {
2835                 if (fp)
2836                 {
2837                     fprintf(fp, "Using the Ewald3DC correction for systems with a slab geometry.\n");
2838                 }
2839                 please_cite(fp, "In-Chul99a");
2840             }
2841         }
2842         fr->ewaldcoeff_q = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
2843         init_ewald_tab(&(fr->ewald_table), ir, fp);
2844         if (fp)
2845         {
2846             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for Ewald\n",
2847                     1/fr->ewaldcoeff_q);
2848         }
2849     }
2850
2851     if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
2852     {
2853         if (fp)
2854         {
2855             fprintf(fp, "Will do PME sum in reciprocal space for LJ dispersion interactions.\n");
2856         }
2857         please_cite(fp, "Essmann95a");
2858         fr->ewaldcoeff_lj = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
2859         if (fp)
2860         {
2861             fprintf(fp, "Using a Gaussian width (1/beta) of %g nm for LJ Ewald\n",
2862                     1/fr->ewaldcoeff_lj);
2863         }
2864     }
2865
2866     /* Electrostatics */
2867     fr->epsilon_r       = ir->epsilon_r;
2868     fr->epsilon_rf      = ir->epsilon_rf;
2869     fr->fudgeQQ         = mtop->ffparams.fudgeQQ;
2870
2871     /* Parameters for generalized RF */
2872     fr->zsquare = 0.0;
2873     fr->temp    = 0.0;
2874
2875     if (fr->eeltype == eelGRF)
2876     {
2877         init_generalized_rf(fp, mtop, ir, fr);
2878     }
2879
2880     fr->bF_NoVirSum = (EEL_FULL(fr->eeltype) || EVDW_PME(fr->vdwtype) ||
2881                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_POSRES) > 0 ||
2882                        gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_FBPOSRES) > 0 ||
2883                        IR_ELEC_FIELD(*ir) ||
2884                        (fr->adress_icor != eAdressICOff)
2885                        );
2886
2887     if (fr->cutoff_scheme == ecutsGROUP &&
2888         ncg_mtop(mtop) > fr->cg_nalloc && !DOMAINDECOMP(cr))
2889     {
2890         /* Count the total number of charge groups */
2891         fr->cg_nalloc = ncg_mtop(mtop);
2892         srenew(fr->cg_cm, fr->cg_nalloc);
2893     }
2894     if (fr->shift_vec == NULL)
2895     {
2896         snew(fr->shift_vec, SHIFTS);
2897     }
2898
2899     if (fr->fshift == NULL)
2900     {
2901         snew(fr->fshift, SHIFTS);
2902     }
2903
2904     if (fr->nbfp == NULL)
2905     {
2906         fr->ntype = mtop->ffparams.atnr;
2907         fr->nbfp  = mk_nbfp(&mtop->ffparams, fr->bBHAM);
2908         if (EVDW_PME(fr->vdwtype))
2909         {
2910             fr->ljpme_c6grid  = make_ljpme_c6grid(&mtop->ffparams, fr);
2911         }
2912     }
2913
2914     /* Copy the energy group exclusions */
2915     fr->egp_flags = ir->opts.egp_flags;
2916
2917     /* Van der Waals stuff */
2918     if ((fr->vdwtype != evdwCUT) && (fr->vdwtype != evdwUSER) && !fr->bBHAM)
2919     {
2920         if (fr->rvdw_switch >= fr->rvdw)
2921         {
2922             gmx_fatal(FARGS, "rvdw_switch (%f) must be < rvdw (%f)",
2923                       fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2924         }
2925         if (fp)
2926         {
2927             fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones, switch between %g and %g nm\n",
2928                     (fr->eeltype == eelSWITCH) ? "switched" : "shifted",
2929                     fr->rvdw_switch, fr->rvdw);
2930         }
2931     }
2932
2933     if (fr->bBHAM && EVDW_PME(fr->vdwtype))
2934     {
2935         gmx_fatal(FARGS, "LJ PME not supported with Buckingham");
2936     }
2937
2938     if (fr->bBHAM && (fr->vdwtype == evdwSHIFT || fr->vdwtype == evdwSWITCH))
2939     {
2940         gmx_fatal(FARGS, "Switch/shift interaction not supported with Buckingham");
2941     }
2942
2943     if (fr->bBHAM && fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
2944     {
2945         gmx_fatal(FARGS, "Verlet cutoff-scheme is not supported with Buckingham");
2946     }
2947
2948     if (fp)
2949     {
2950         fprintf(fp, "Cut-off's:   NS: %g   Coulomb: %g   %s: %g\n",
2951                 fr->rlist, fr->rcoulomb, fr->bBHAM ? "BHAM" : "LJ", fr->rvdw);
2952     }
2953
2954     fr->eDispCorr = ir->eDispCorr;
2955     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
2956     {
2957         set_avcsixtwelve(fp, fr, mtop);
2958     }
2959
2960     if (fr->bBHAM)
2961     {
2962         set_bham_b_max(fp, fr, mtop);
2963     }
2964
2965     fr->gb_epsilon_solvent = ir->gb_epsilon_solvent;
2966
2967     /* Copy the GBSA data (radius, volume and surftens for each
2968      * atomtype) from the topology atomtype section to forcerec.
2969      */
2970     snew(fr->atype_radius, fr->ntype);
2971     snew(fr->atype_vol, fr->ntype);
2972     snew(fr->atype_surftens, fr->ntype);
2973     snew(fr->atype_gb_radius, fr->ntype);
2974     snew(fr->atype_S_hct, fr->ntype);
2975
2976     if (mtop->atomtypes.nr > 0)
2977     {
2978         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2979         {
2980             fr->atype_radius[i] = mtop->atomtypes.radius[i];
2981         }
2982         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2983         {
2984             fr->atype_vol[i] = mtop->atomtypes.vol[i];
2985         }
2986         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2987         {
2988             fr->atype_surftens[i] = mtop->atomtypes.surftens[i];
2989         }
2990         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2991         {
2992             fr->atype_gb_radius[i] = mtop->atomtypes.gb_radius[i];
2993         }
2994         for (i = 0; i < fr->ntype; i++)
2995         {
2996             fr->atype_S_hct[i] = mtop->atomtypes.S_hct[i];
2997         }
2998     }
2999
3000     /* Generate the GB table if needed */
3001     if (fr->bGB)
3002     {
3003 #ifdef GMX_DOUBLE
3004         fr->gbtabscale = 2000;
3005 #else
3006         fr->gbtabscale = 500;
3007 #endif
3008
3009         fr->gbtabr = 100;
3010         fr->gbtab  = make_gb_table(oenv, fr);
3011
3012         init_gb(&fr->born, fr, ir, mtop, ir->gb_algorithm);
3013
3014         /* Copy local gb data (for dd, this is done in dd_partition_system) */
3015         if (!DOMAINDECOMP(cr))
3016         {
3017             make_local_gb(cr, fr->born, ir->gb_algorithm);
3018         }
3019     }
3020
3021     /* Set the charge scaling */
3022     if (fr->epsilon_r != 0)
3023     {
3024         fr->epsfac = ONE_4PI_EPS0/fr->epsilon_r;
3025     }
3026     else
3027     {
3028         /* eps = 0 is infinite dieletric: no coulomb interactions */
3029         fr->epsfac = 0;
3030     }
3031
3032     /* Reaction field constants */
3033     if (EEL_RF(fr->eeltype))
3034     {
3035         calc_rffac(fp, fr->eeltype, fr->epsilon_r, fr->epsilon_rf,
3036                    fr->rcoulomb, fr->temp, fr->zsquare, box,
3037                    &fr->kappa, &fr->k_rf, &fr->c_rf);
3038     }
3039
3040     /*This now calculates sum for q and c6*/
3041     set_chargesum(fp, fr, mtop);
3042
3043     /* if we are using LR electrostatics, and they are tabulated,
3044      * the tables will contain modified coulomb interactions.
3045      * Since we want to use the non-shifted ones for 1-4
3046      * coulombic interactions, we must have an extra set of tables.
3047      */
3048
3049     /* Construct tables.
3050      * A little unnecessary to make both vdw and coul tables sometimes,
3051      * but what the heck... */
3052
3053     bMakeTables = fr->bcoultab || fr->bvdwtab || fr->bEwald ||
3054         (ir->eDispCorr != edispcNO && ir_vdw_switched(ir));
3055
3056     bMakeSeparate14Table = ((!bMakeTables || fr->eeltype != eelCUT || fr->vdwtype != evdwCUT ||
3057                              fr->coulomb_modifier != eintmodNONE ||
3058                              fr->vdw_modifier != eintmodNONE ||
3059                              fr->bBHAM || fr->bEwald) &&
3060                             (gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJ14) > 0 ||
3061                              gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC14_Q) > 0 ||
3062                              gmx_mtop_ftype_count(mtop, F_LJC_PAIRS_NB) > 0));
3063
3064     negp_pp   = ir->opts.ngener - ir->nwall;
3065     negptable = 0;
3066     if (!bMakeTables)
3067     {
3068         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
3069         fr->nnblists               = 1;
3070     }
3071     else
3072     {
3073         bSomeNormalNbListsAreInUse = (ir->eDispCorr != edispcNO);
3074         for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
3075         {
3076             for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
3077             {
3078                 egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
3079                 if (!(egp_flags & EGP_EXCL))
3080                 {
3081                     if (egp_flags & EGP_TABLE)
3082                     {
3083                         negptable++;
3084                     }
3085                     else
3086                     {
3087                         bSomeNormalNbListsAreInUse = TRUE;
3088                     }
3089                 }
3090             }
3091         }
3092         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
3093         {
3094             fr->nnblists = negptable + 1;
3095         }
3096         else
3097         {
3098             fr->nnblists = negptable;
3099         }
3100         if (fr->nnblists > 1)
3101         {
3102             snew(fr->gid2nblists, ir->opts.ngener*ir->opts.ngener);
3103         }
3104     }
3105
3106     if (ir->adress)
3107     {
3108         fr->nnblists *= 2;
3109     }
3110
3111     snew(fr->nblists, fr->nnblists);
3112
3113     /* This code automatically gives table length tabext without cut-off's,
3114      * in that case grompp should already have checked that we do not need
3115      * normal tables and we only generate tables for 1-4 interactions.
3116      */
3117     rtab = ir->rlistlong + ir->tabext;
3118
3119     if (bMakeTables)
3120     {
3121         /* make tables for ordinary interactions */
3122         if (bSomeNormalNbListsAreInUse)
3123         {
3124             make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn, NULL, NULL, &fr->nblists[0]);
3125             if (ir->adress)
3126             {
3127                 make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn, NULL, NULL, &fr->nblists[fr->nnblists/2]);
3128             }
3129             if (!bMakeSeparate14Table)
3130             {
3131                 fr->tab14 = fr->nblists[0].table_elec_vdw;
3132             }
3133             m = 1;
3134         }
3135         else
3136         {
3137             m = 0;
3138         }
3139         if (negptable > 0)
3140         {
3141             /* Read the special tables for certain energy group pairs */
3142             nm_ind = mtop->groups.grps[egcENER].nm_ind;
3143             for (egi = 0; egi < negp_pp; egi++)
3144             {
3145                 for (egj = egi; egj < negp_pp; egj++)
3146                 {
3147                     egp_flags = ir->opts.egp_flags[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)];
3148                     if ((egp_flags & EGP_TABLE) && !(egp_flags & EGP_EXCL))
3149                     {
3150                         if (fr->nnblists > 1)
3151                         {
3152                             fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = m;
3153                         }
3154                         /* Read the table file with the two energy groups names appended */
3155                         make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn,
3156                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
3157                                         *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
3158                                         &fr->nblists[m]);
3159                         if (ir->adress)
3160                         {
3161                             make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn,
3162                                             *mtop->groups.grpname[nm_ind[egi]],
3163                                             *mtop->groups.grpname[nm_ind[egj]],
3164                                             &fr->nblists[fr->nnblists/2+m]);
3165                         }
3166                         m++;
3167                     }
3168                     else if (fr->nnblists > 1)
3169                     {
3170                         fr->gid2nblists[GID(egi, egj, ir->opts.ngener)] = 0;
3171                     }
3172                 }
3173             }
3174         }
3175     }
3176     else if ((fr->eDispCorr != edispcNO) &&
3177              ((fr->vdw_modifier == eintmodPOTSWITCH) ||
3178               (fr->vdw_modifier == eintmodFORCESWITCH) ||
3179               (fr->vdw_modifier == eintmodPOTSHIFT)))
3180     {
3181         /* Tables might not be used for the potential modifier interactions per se, but
3182          * we still need them to evaluate switch/shift dispersion corrections in this case.
3183          */
3184         make_nbf_tables(fp, oenv, fr, rtab, cr, tabfn, NULL, NULL, &fr->nblists[0]);
3185     }
3186
3187     if (bMakeSeparate14Table)
3188     {
3189         /* generate extra tables with plain Coulomb for 1-4 interactions only */
3190         fr->tab14 = make_tables(fp, oenv, fr, MASTER(cr), tabpfn, rtab,
3191                                 GMX_MAKETABLES_14ONLY);
3192     }
3193
3194     /* Read AdResS Thermo Force table if needed */
3195     if (fr->adress_icor == eAdressICThermoForce)
3196     {
3197         /* old todo replace */
3198
3199         if (ir->adress->n_tf_grps > 0)
3200         {
3201             make_adress_tf_tables(fp, oenv, fr, ir, tabfn, mtop, box);
3202
3203         }
3204         else
3205         {
3206             /* load the default table */
3207             snew(fr->atf_tabs, 1);
3208             fr->atf_tabs[DEFAULT_TF_TABLE] = make_atf_table(fp, oenv, fr, tabafn, box);
3209         }
3210     }
3211
3212     /* Wall stuff */
3213     fr->nwall = ir->nwall;
3214     if (ir->nwall && ir->wall_type == ewtTABLE)
3215     {
3216         make_wall_tables(fp, oenv, ir, tabfn, &mtop->groups, fr);
3217     }
3218
3219     if (fcd && tabbfnm)
3220     {
3221         // Need to catch std::bad_alloc
3222         // TODO Don't need to catch this here, when merging with master branch
3223         try
3224         {
3225             fcd->bondtab  = make_bonded_tables(fp,
3226                                                F_TABBONDS, F_TABBONDSNC,
3227                                                mtop, tabbfnm, "b");
3228             fcd->angletab = make_bonded_tables(fp,
3229                                                F_TABANGLES, -1,
3230                                                mtop, tabbfnm, "a");
3231             fcd->dihtab   = make_bonded_tables(fp,
3232                                                F_TABDIHS, -1,
3233                                                mtop, tabbfnm, "d");
3234         }
3235         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
3236     }
3237     else
3238     {
3239         if (debug)
3240         {
3241             fprintf(debug, "No fcdata or table file name passed, can not read table, can not do bonded interactions\n");
3242         }
3243     }
3244
3245     /* QM/MM initialization if requested
3246      */
3247     if (ir->bQMMM)
3248     {
3249         fprintf(stderr, "QM/MM calculation requested.\n");
3250     }
3251
3252     fr->bQMMM      = ir->bQMMM;
3253     fr->qr         = mk_QMMMrec();
3254
3255     /* Set all the static charge group info */
3256     fr->cginfo_mb = init_cginfo_mb(fp, mtop, fr, bNoSolvOpt,
3257                                    &bFEP_NonBonded,
3258                                    &fr->bExcl_IntraCGAll_InterCGNone);
3259     if (DOMAINDECOMP(cr))
3260     {
3261         fr->cginfo = NULL;
3262     }
3263     else
3264     {
3265         fr->cginfo = cginfo_expand(mtop->nmolblock, fr->cginfo_mb);
3266     }
3267
3268     if (!DOMAINDECOMP(cr))
3269     {
3270         forcerec_set_ranges(fr, ncg_mtop(mtop), ncg_mtop(mtop),
3271                             mtop->natoms, mtop->natoms, mtop->natoms);
3272     }
3273
3274     fr->print_force = print_force;
3275
3276
3277     /* coarse load balancing vars */
3278     fr->t_fnbf    = 0.;
3279     fr->t_wait    = 0.;
3280     fr->timesteps = 0;
3281
3282     /* Initialize neighbor search */
3283     init_ns(fp, cr, &fr->ns, fr, mtop);
3284
3285     if (cr->duty & DUTY_PP)
3286     {
3287         gmx_nonbonded_setup(fr, bGenericKernelOnly);
3288         /*
3289            if (ir->bAdress)
3290             {
3291                 gmx_setup_adress_kernels(fp,bGenericKernelOnly);
3292             }
3293          */
3294     }
3295
3296     /* Initialize the thread working data for bonded interactions */
3297     init_bonded_threading(fp, fr, mtop->groups.grps[egcENER].nr);
3298
3299     /* fr->ic is used both by verlet and group kernels (to some extent) now */
3300     init_interaction_const(fp, &fr->ic, fr);
3301     init_interaction_const_tables(fp, fr->ic, rtab);
3302
3303     if (fr->cutoff_scheme == ecutsVERLET)
3304     {
3305         if (ir->rcoulomb != ir->rvdw)
3306         {
3307             gmx_fatal(FARGS, "With Verlet lists rcoulomb and rvdw should be identical");
3308         }
3309
3310         init_nb_verlet(fp, &fr->nbv, bFEP_NonBonded, ir, fr, cr, nbpu_opt);
3311     }
3312
3313     if (ir->eDispCorr != edispcNO)
3314     {
3315         calc_enervirdiff(fp, ir->eDispCorr, fr);
3316     }
3317 }
3318
3319 #define pr_real(fp, r) fprintf(fp, "%s: %e\n",#r, r)
3320 #define pr_int(fp, i)  fprintf((fp), "%s: %d\n",#i, i)
3321 #define pr_bool(fp, b) fprintf((fp), "%s: %s\n",#b, bool_names[b])
3322
3323 void pr_forcerec(FILE *fp, t_forcerec *fr)
3324 {
3325     int i;
3326
3327     pr_real(fp, fr->rlist);
3328     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3329     pr_real(fp, fr->fudgeQQ);
3330     pr_bool(fp, fr->bGrid);
3331     pr_bool(fp, fr->bTwinRange);
3332     /*pr_int(fp,fr->cg0);
3333        pr_int(fp,fr->hcg);*/
3334     for (i = 0; i < fr->nnblists; i++)
3335     {
3336         pr_int(fp, fr->nblists[i].table_elec_vdw.n);
3337     }
3338     pr_real(fp, fr->rcoulomb_switch);
3339     pr_real(fp, fr->rcoulomb);
3340
3341     fflush(fp);
3342 }
3343
3344 /* Frees GPU memory and destroys the GPU context.
3345  *
3346  * Note that this function needs to be called even if GPUs are not used
3347  * in this run because the PME ranks have no knowledge of whether GPUs
3348  * are used or not, but all ranks need to enter the barrier below.
3349  */
3350 void free_gpu_resources(const t_forcerec     *fr,
3351                         const t_commrec      *cr,
3352                         const gmx_gpu_info_t *gpu_info,
3353                         const gmx_gpu_opt_t  *gpu_opt)
3354 {
3355     gmx_bool bIsPPrankUsingGPU;
3356     char     gpu_err_str[STRLEN];
3357
3358     bIsPPrankUsingGPU = (cr->duty & DUTY_PP) && fr && fr->nbv && fr->nbv->bUseGPU;
3359
3360     if (bIsPPrankUsingGPU)
3361     {
3362         /* free nbnxn data in GPU memory */
3363         nbnxn_gpu_free(fr->nbv->gpu_nbv);
3364
3365         /* With tMPI we need to wait for all ranks to finish deallocation before
3366          * destroying the context in free_gpu() as some ranks may be sharing
3367          * GPU and context.
3368          * Note: as only PP ranks need to free GPU resources, so it is safe to
3369          * not call the barrier on PME ranks.
3370          */
3371 #ifdef GMX_THREAD_MPI
3372         if (PAR(cr))
3373         {
3374             gmx_barrier(cr);
3375         }
3376 #endif  /* GMX_THREAD_MPI */
3377
3378         /* uninitialize GPU (by destroying the context) */
3379         if (!free_cuda_gpu(cr->rank_pp_intranode, gpu_err_str, gpu_info, gpu_opt))
3380         {
3381             gmx_warning("On rank %d failed to free GPU #%d: %s",
3382                         cr->nodeid, get_current_cuda_gpu_device_id(), gpu_err_str);
3383         }
3384     }
3385 }