src/gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  37 #include <config.h>
  38 #endif
  39
  40 #include <math.h>
  41 #include <string.h>
  42 #include <assert.h>
  43 #include "smalloc.h"
  44 #include "macros.h"
  45 #include "vec.h"
  46 #include "nbnxn_consts.h"
  47 #include "nbnxn_internal.h"
  48 #include "nbnxn_search.h"
  49 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  50 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  51
  52 /* Default nbnxn allocation routine, allocates NBNXN_MEM_ALIGN byte aligned */
  53 void nbnxn_alloc_aligned(void **ptr, size_t nbytes)
  54 {
  55     *ptr = save_malloc_aligned("ptr", __FILE__, __LINE__, nbytes, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
  56 }
  57
  58 /* Free function for memory allocated with nbnxn_alloc_aligned */
  59 void nbnxn_free_aligned(void *ptr)
  60 {
  61     sfree_aligned(ptr);
  62 }
  63
  64 /* Reallocation wrapper function for nbnxn data structures */
  65 void nbnxn_realloc_void(void **ptr,
  66                         int nbytes_copy, int nbytes_new,
  67                         nbnxn_alloc_t *ma,
  68                         nbnxn_free_t  *mf)
  69 {
  70     void *ptr_new;
  71
  72     ma(&ptr_new, nbytes_new);
  73
  74     if (nbytes_new > 0 && ptr_new == NULL)
  75     {
  76         gmx_fatal(FARGS, "Allocation of %d bytes failed", nbytes_new);
  77     }
  78
  79     if (nbytes_copy > 0)
  80     {
  81         if (nbytes_new < nbytes_copy)
  82         {
  83             gmx_incons("In nbnxn_realloc_void: new size less than copy size");
  84         }
  85         memcpy(ptr_new, *ptr, nbytes_copy);
  86     }
  87     if (*ptr != NULL)
  88     {
  89         mf(*ptr);
  90     }
  91     *ptr = ptr_new;
  92 }
  93
  94 /* Reallocate the nbnxn_atomdata_t for a size of n atoms */
  95 void nbnxn_atomdata_realloc(nbnxn_atomdata_t *nbat, int n)
  96 {
  97     int t;
  98
  99     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->type,
 100                        nbat->natoms*sizeof(*nbat->type),
 101                        n*sizeof(*nbat->type),
 102                        nbat->alloc, nbat->free);
 103     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->lj_comb,
 104                        nbat->natoms*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 105                        n*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 106                        nbat->alloc, nbat->free);
 107     if (nbat->XFormat != nbatXYZQ)
 108     {
 109         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->q,
 110                            nbat->natoms*sizeof(*nbat->q),
 111                            n*sizeof(*nbat->q),
 112                            nbat->alloc, nbat->free);
 113     }
 114     if (nbat->nenergrp > 1)
 115     {
 116         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->energrp,
 117                            nbat->natoms/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 118                            n/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 119                            nbat->alloc, nbat->free);
 120     }
 121     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->x,
 122                        nbat->natoms*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 123                        n*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 124                        nbat->alloc, nbat->free);
 125     for (t = 0; t < nbat->nout; t++)
 126     {
 127         /* Allocate one element extra for possible signaling with CUDA */
 128         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->out[t].f,
 129                            nbat->natoms*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 130                            n*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 131                            nbat->alloc, nbat->free);
 132     }
 133     nbat->nalloc = n;
 134 }
 135
 136 /* Initializes an nbnxn_atomdata_output_t data structure */
 137 static void nbnxn_atomdata_output_init(nbnxn_atomdata_output_t *out,
 138                                        int nb_kernel_type,
 139                                        int nenergrp, int stride,
 140                                        nbnxn_alloc_t *ma)
 141 {
 142     int cj_size;
 143
 144     out->f = NULL;
 145     ma((void **)&out->fshift, SHIFTS*DIM*sizeof(*out->fshift));
 146     out->nV = nenergrp*nenergrp;
 147     ma((void **)&out->Vvdw, out->nV*sizeof(*out->Vvdw));
 148     ma((void **)&out->Vc, out->nV*sizeof(*out->Vc  ));
 149
 150     if (nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_4xN ||
 151         nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_2xNN)
 152     {
 153         cj_size  = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
 154         out->nVS = nenergrp*nenergrp*stride*(cj_size>>1)*cj_size;
 155         ma((void **)&out->VSvdw, out->nVS*sizeof(*out->VSvdw));
 156         ma((void **)&out->VSc, out->nVS*sizeof(*out->VSc  ));
 157     }
 158     else
 159     {
 160         out->nVS = 0;
 161     }
 162 }
 163
 164 static void copy_int_to_nbat_int(const int *a, int na, int na_round,
 165                                  const int *in, int fill, int *innb)
 166 {
 167     int i, j;
 168
 169     j = 0;
 170     for (i = 0; i < na; i++)
 171     {
 172         innb[j++] = in[a[i]];
 173     }
 174     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 175     for (; i < na_round; i++)
 176     {
 177         innb[j++] = fill;
 178     }
 179 }
 180
 181 static void clear_nbat_real(int na, int nbatFormat, real *xnb, int a0)
 182 {
 183     int a, d, j, c;
 184
 185     switch (nbatFormat)
 186     {
 187         case nbatXYZ:
 188             for (a = 0; a < na; a++)
 189             {
 190                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 191                 {
 192                     xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZ+d] = 0;
 193                 }
 194             }
 195             break;
 196         case nbatXYZQ:
 197             for (a = 0; a < na; a++)
 198             {
 199                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 200                 {
 201                     xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZQ+d] = 0;
 202                 }
 203             }
 204             break;
 205         case nbatX4:
 206             j = X4_IND_A(a0);
 207             c = a0 & (PACK_X4-1);
 208             for (a = 0; a < na; a++)
 209             {
 210                 xnb[j+XX*PACK_X4] = 0;
 211                 xnb[j+YY*PACK_X4] = 0;
 212                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = 0;
 213                 j++;
 214                 c++;
 215                 if (c == PACK_X4)
 216                 {
 217                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 218                     c  = 0;
 219                 }
 220             }
 221             break;
 222         case nbatX8:
 223             j = X8_IND_A(a0);
 224             c = a0 & (PACK_X8-1);
 225             for (a = 0; a < na; a++)
 226             {
 227                 xnb[j+XX*PACK_X8] = 0;
 228                 xnb[j+YY*PACK_X8] = 0;
 229                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = 0;
 230                 j++;
 231                 c++;
 232                 if (c == PACK_X8)
 233                 {
 234                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 235                     c  = 0;
 236                 }
 237             }
 238             break;
 239     }
 240 }
 241
 242 void copy_rvec_to_nbat_real(const int *a, int na, int na_round,
 243                             rvec *x, int nbatFormat, real *xnb, int a0,
 244                             int cx, int cy, int cz)
 245 {
 246     int i, j, c;
 247
 248 /* We might need to place filler particles to fill up the cell to na_round.
 249  * The coefficients (LJ and q) for such particles are zero.
 250  * But we might still get NaN as 0*NaN when distances are too small.
 251  * We hope that -107 nm is far away enough from to zero
 252  * to avoid accidental short distances to particles shifted down for pbc.
 253  */
 254 #define NBAT_FAR_AWAY 107
 255
 256     switch (nbatFormat)
 257     {
 258         case nbatXYZ:
 259             j = a0*STRIDE_XYZ;
 260             for (i = 0; i < na; i++)
 261             {
 262                 xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 263                 xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 264                 xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 265             }
 266             /* Complete the partially filled last cell with copies of the last element.
 267              * This simplifies the bounding box calculation and avoid
 268              * numerical issues with atoms that are coincidentally close.
 269              */
 270             for (; i < na_round; i++)
 271             {
 272                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 273                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 274                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 275             }
 276             break;
 277         case nbatXYZQ:
 278             j = a0*STRIDE_XYZQ;
 279             for (i = 0; i < na; i++)
 280             {
 281                 xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 282                 xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 283                 xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 284                 j++;
 285             }
 286             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 287             for (; i < na_round; i++)
 288             {
 289                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 290                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 291                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 292                 j++;
 293             }
 294             break;
 295         case nbatX4:
 296             j = X4_IND_A(a0);
 297             c = a0 & (PACK_X4-1);
 298             for (i = 0; i < na; i++)
 299             {
 300                 xnb[j+XX*PACK_X4] = x[a[i]][XX];
 301                 xnb[j+YY*PACK_X4] = x[a[i]][YY];
 302                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = x[a[i]][ZZ];
 303                 j++;
 304                 c++;
 305                 if (c == PACK_X4)
 306                 {
 307                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 308                     c  = 0;
 309                 }
 310             }
 311             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 312             for (; i < na_round; i++)
 313             {
 314                 xnb[j+XX*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 315                 xnb[j+YY*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 316                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 317                 j++;
 318                 c++;
 319                 if (c == PACK_X4)
 320                 {
 321                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 322                     c  = 0;
 323                 }
 324             }
 325             break;
 326         case nbatX8:
 327             j = X8_IND_A(a0);
 328             c = a0 & (PACK_X8 - 1);
 329             for (i = 0; i < na; i++)
 330             {
 331                 xnb[j+XX*PACK_X8] = x[a[i]][XX];
 332                 xnb[j+YY*PACK_X8] = x[a[i]][YY];
 333                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = x[a[i]][ZZ];
 334                 j++;
 335                 c++;
 336                 if (c == PACK_X8)
 337                 {
 338                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 339                     c  = 0;
 340                 }
 341             }
 342             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 343             for (; i < na_round; i++)
 344             {
 345                 xnb[j+XX*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 346                 xnb[j+YY*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 347                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 348                 j++;
 349                 c++;
 350                 if (c == PACK_X8)
 351                 {
 352                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 353                     c  = 0;
 354                 }
 355             }
 356             break;
 357         default:
 358             gmx_incons("Unsupported nbnxn_atomdata_t format");
 359     }
 360 }
 361
 362 /* Determines the combination rule (or none) to be used, stores it,
 363  * and sets the LJ parameters required with the rule.
 364  */
 365 static void set_combination_rule_data(nbnxn_atomdata_t *nbat)
 366 {
 367     int  nt, i, j;
 368     real c6, c12;
 369
 370     nt = nbat->ntype;
 371
 372     switch (nbat->comb_rule)
 373     {
 374         case  ljcrGEOM:
 375             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 376
 377             for (i = 0; i < nt; i++)
 378             {
 379                 /* Copy the diagonal from the nbfp matrix */
 380                 nbat->nbfp_comb[i*2  ] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ]);
 381                 nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1]);
 382             }
 383             break;
 384         case ljcrLB:
 385             for (i = 0; i < nt; i++)
 386             {
 387                 /* Get 6*C6 and 12*C12 from the diagonal of the nbfp matrix */
 388                 c6  = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ];
 389                 c12 = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1];
 390                 if (c6 > 0 && c12 > 0)
 391                 {
 392                     /* We store 0.5*2^1/6*sigma and sqrt(4*3*eps),
 393                      * so we get 6*C6 and 12*C12 after combining.
 394                      */
 395                     nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0.5*pow(c12/c6, 1.0/6.0);
 396                     nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(c6*c6/c12);
 397                 }
 398                 else
 399                 {
 400                     nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 401                     nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 402                 }
 403             }
 404             break;
 405         case ljcrNONE:
 406             /* nbfp_s4 stores two parameters using a stride of 4,
 407              * because this would suit x86 SIMD single-precision
 408              * quad-load intrinsics. There's a slight inefficiency in
 409              * allocating and initializing nbfp_s4 when it might not
 410              * be used, but introducing the conditional code is not
 411              * really worth it. */
 412             nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_s4, nt*nt*4*sizeof(*nbat->nbfp_s4));
 413             for (i = 0; i < nt; i++)
 414             {
 415                 for (j = 0; j < nt; j++)
 416                 {
 417                     nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+0] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+0];
 418                     nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+1] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+1];
 419                     nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+2] = 0;
 420                     nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+3] = 0;
 421                 }
 422             }
 423             break;
 424         default:
 425             gmx_incons("Unknown combination rule");
 426             break;
 427     }
 428 }
 429
 430 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 431 static void
 432 nbnxn_atomdata_init_simple_exclusion_masks(nbnxn_atomdata_t *nbat)
 433 {
 434     int       i, j;
 435     const int simd_width = GMX_SIMD_WIDTH_HERE;
 436     int       simd_excl_size;
 437     /* Set the diagonal cluster pair exclusion mask setup data.
 438      * In the kernel we check 0 < j - i to generate the masks.
 439      * Here we store j - i for generating the mask for the first i,
 440      * we substract 0.5 to avoid rounding issues.
 441      * In the kernel we can subtract 1 to generate the subsequent mask.
 442      */
 443     int        simd_4xn_diag_size;
 444     const real simdFalse = -1, simdTrue = 1;
 445     real      *simd_interaction_array;
 446
 447     simd_4xn_diag_size = max(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, simd_width);
 448     snew_aligned(nbat->simd_4xn_diagonal_j_minus_i, simd_4xn_diag_size, NBNXN_MEM_ALIGN);
 449     for (j = 0; j < simd_4xn_diag_size; j++)
 450     {
 451         nbat->simd_4xn_diagonal_j_minus_i[j] = j - 0.5;
 452     }
 453
 454     snew_aligned(nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i, simd_width, NBNXN_MEM_ALIGN);
 455     for (j = 0; j < simd_width/2; j++)
 456     {
 457         /* The j-cluster size is half the SIMD width */
 458         nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i[j]              = j - 0.5;
 459         /* The next half of the SIMD width is for i + 1 */
 460         nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i[simd_width/2+j] = j - 1 - 0.5;
 461     }
 462
 463     /* We use up to 32 bits for exclusion masking.
 464      * The same masks are used for the 4xN and 2x(N+N) kernels.
 465      * The masks are read either into epi32 SIMD registers or into
 466      * real SIMD registers (together with a cast).
 467      * In single precision this means the real and epi32 SIMD registers
 468      * are of equal size.
 469      * In double precision the epi32 registers can be smaller than
 470      * the real registers, so depending on the architecture, we might
 471      * need to use two, identical, 32-bit masks per real.
 472      */
 473     simd_excl_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*simd_width;
 474     snew_aligned(nbat->simd_exclusion_filter1, simd_excl_size,   NBNXN_MEM_ALIGN);
 475     snew_aligned(nbat->simd_exclusion_filter2, simd_excl_size*2, NBNXN_MEM_ALIGN);
 476
 477     for (j = 0; j < simd_excl_size; j++)
 478     {
 479         /* Set the consecutive bits for masking pair exclusions */
 480         nbat->simd_exclusion_filter1[j]       = (1U << j);
 481         nbat->simd_exclusion_filter2[j*2 + 0] = (1U << j);
 482         nbat->simd_exclusion_filter2[j*2 + 1] = (1U << j);
 483     }
 484
 485 #if (defined GMX_CPU_ACCELERATION_IBM_QPX)
 486     /* The QPX kernels shouldn't do the bit masking that is done on
 487      * x86, because the SIMD units lack bit-wise operations. Instead,
 488      * we generate a vector of all 2^4 possible ways an i atom
 489      * interacts with its 4 j atoms. Each array entry contains
 490      * simd_width signed ints that are read in a single SIMD
 491      * load. These ints must contain values that will be interpreted
 492      * as true and false when loaded in the SIMD floating-point
 493      * registers, ie. any positive or any negative value,
 494      * respectively. Each array entry encodes how this i atom will
 495      * interact with the 4 j atoms. Matching code exists in
 496      * set_ci_top_excls() to generate indices into this array. Those
 497      * indices are used in the kernels. */
 498
 499     simd_excl_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 500     const int qpx_simd_width = GMX_SIMD_WIDTH_HERE;
 501     snew_aligned(simd_interaction_array, simd_excl_size * qpx_simd_width, NBNXN_MEM_ALIGN);
 502     for (j = 0; j < simd_excl_size; j++)
 503     {
 504         int index = j * qpx_simd_width;
 505         for (i = 0; i < qpx_simd_width; i++)
 506         {
 507             simd_interaction_array[index + i] = (j & (1 << i)) ? simdTrue : simdFalse;
 508         }
 509     }
 510     nbat->simd_interaction_array = simd_interaction_array;
 511 #endif
 512 }
 513 #endif
 514
 515 /* Initializes an nbnxn_atomdata_t data structure */
 516 void nbnxn_atomdata_init(FILE *fp,
 517                          nbnxn_atomdata_t *nbat,
 518                          int nb_kernel_type,
 519                          int ntype, const real *nbfp,
 520                          int n_energygroups,
 521                          int nout,
 522                          nbnxn_alloc_t *alloc,
 523                          nbnxn_free_t  *free)
 524 {
 525     int      i, j, nth;
 526     real     c6, c12, tol;
 527     char    *ptr;
 528     gmx_bool simple, bCombGeom, bCombLB;
 529
 530     if (alloc == NULL)
 531     {
 532         nbat->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
 533     }
 534     else
 535     {
 536         nbat->alloc = alloc;
 537     }
 538     if (free == NULL)
 539     {
 540         nbat->free = nbnxn_free_aligned;
 541     }
 542     else
 543     {
 544         nbat->free = free;
 545     }
 546
 547     if (debug)
 548     {
 549         fprintf(debug, "There are %d atom types in the system, adding one for nbnxn_atomdata_t\n", ntype);
 550     }
 551     nbat->ntype = ntype + 1;
 552     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp,
 553                 nbat->ntype*nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp));
 554     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_comb, nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp_comb));
 555
 556     /* A tolerance of 1e-5 seems reasonable for (possibly hand-typed)
 557      * force-field floating point parameters.
 558      */
 559     tol = 1e-5;
 560     ptr = getenv("GMX_LJCOMB_TOL");
 561     if (ptr != NULL)
 562     {
 563         double dbl;
 564
 565         sscanf(ptr, "%lf", &dbl);
 566         tol = dbl;
 567     }
 568     bCombGeom = TRUE;
 569     bCombLB   = TRUE;
 570
 571     /* Temporarily fill nbat->nbfp_comb with sigma and epsilon
 572      * to check for the LB rule.
 573      */
 574     for (i = 0; i < ntype; i++)
 575     {
 576         c6  = nbfp[(i*ntype+i)*2  ]/6.0;
 577         c12 = nbfp[(i*ntype+i)*2+1]/12.0;
 578         if (c6 > 0 && c12 > 0)
 579         {
 580             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = pow(c12/c6, 1.0/6.0);
 581             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0.25*c6*c6/c12;
 582         }
 583         else if (c6 == 0 && c12 == 0)
 584         {
 585             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 586             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 587         }
 588         else
 589         {
 590             /* Can not use LB rule with only dispersion or repulsion */
 591             bCombLB = FALSE;
 592         }
 593     }
 594
 595     for (i = 0; i < nbat->ntype; i++)
 596     {
 597         for (j = 0; j < nbat->ntype; j++)
 598         {
 599             if (i < ntype && j < ntype)
 600             {
 601                 /* fr->nbfp has been updated, so that array too now stores c6/c12 including
 602                  * the 6.0/12.0 prefactors to save 2 flops in the most common case (force-only).
 603                  */
 604                 c6  = nbfp[(i*ntype+j)*2  ];
 605                 c12 = nbfp[(i*ntype+j)*2+1];
 606                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = c6;
 607                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = c12;
 608
 609                 /* Compare 6*C6 and 12*C12 for geometric cobination rule */
 610                 bCombGeom = bCombGeom &&
 611                     gmx_within_tol(c6*c6, nbfp[(i*ntype+i)*2  ]*nbfp[(j*ntype+j)*2  ], tol) &&
 612                     gmx_within_tol(c12*c12, nbfp[(i*ntype+i)*2+1]*nbfp[(j*ntype+j)*2+1], tol);
 613
 614                 /* Compare C6 and C12 for Lorentz-Berthelot combination rule */
 615                 c6     /= 6.0;
 616                 c12    /= 12.0;
 617                 bCombLB = bCombLB &&
 618                     ((c6 == 0 && c12 == 0 &&
 619                       (nbat->nbfp_comb[i*2+1] == 0 || nbat->nbfp_comb[j*2+1] == 0)) ||
 620                      (c6 > 0 && c12 > 0 &&
 621                       gmx_within_tol(pow(c12/c6, 1.0/6.0), 0.5*(nbat->nbfp_comb[i*2]+nbat->nbfp_comb[j*2]), tol) &&
 622                       gmx_within_tol(0.25*c6*c6/c12, sqrt(nbat->nbfp_comb[i*2+1]*nbat->nbfp_comb[j*2+1]), tol)));
 623             }
 624             else
 625             {
 626                 /* Add zero parameters for the additional dummy atom type */
 627                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = 0;
 628                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 0;
 629             }
 630         }
 631     }
 632     if (debug)
 633     {
 634         fprintf(debug, "Combination rules: geometric %d Lorentz-Berthelot %d\n",
 635                 bCombGeom, bCombLB);
 636     }
 637
 638     simple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
 639
 640     if (simple)
 641     {
 642         /* We prefer the geometic combination rule,
 643          * as that gives a slightly faster kernel than the LB rule.
 644          */
 645         if (bCombGeom)
 646         {
 647             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 648         }
 649         else if (bCombLB)
 650         {
 651             nbat->comb_rule = ljcrLB;
 652         }
 653         else
 654         {
 655             nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 656
 657             nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 658         }
 659
 660         if (fp)
 661         {
 662             if (nbat->comb_rule == ljcrNONE)
 663             {
 664                 fprintf(fp, "Using full Lennard-Jones parameter combination matrix\n\n");
 665             }
 666             else
 667             {
 668                 fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones combination rule\n\n",
 669                         nbat->comb_rule == ljcrGEOM ? "geometric" : "Lorentz-Berthelot");
 670             }
 671         }
 672
 673         set_combination_rule_data(nbat);
 674     }
 675     else
 676     {
 677         nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 678
 679         nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 680     }
 681
 682     nbat->natoms  = 0;
 683     nbat->type    = NULL;
 684     nbat->lj_comb = NULL;
 685     if (simple)
 686     {
 687         int pack_x;
 688
 689         switch (nb_kernel_type)
 690         {
 691             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 692             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 693                 pack_x = max(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE,
 694                              nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type));
 695                 switch (pack_x)
 696                 {
 697                     case 4:
 698                         nbat->XFormat = nbatX4;
 699                         break;
 700                     case 8:
 701                         nbat->XFormat = nbatX8;
 702                         break;
 703                     default:
 704                         gmx_incons("Unsupported packing width");
 705                 }
 706                 break;
 707             default:
 708                 nbat->XFormat = nbatXYZ;
 709                 break;
 710         }
 711
 712         nbat->FFormat = nbat->XFormat;
 713     }
 714     else
 715     {
 716         nbat->XFormat = nbatXYZQ;
 717         nbat->FFormat = nbatXYZ;
 718     }
 719     nbat->q        = NULL;
 720     nbat->nenergrp = n_energygroups;
 721     if (!simple)
 722     {
 723         /* Energy groups not supported yet for super-sub lists */
 724         if (n_energygroups > 1 && fp != NULL)
 725         {
 726             fprintf(fp, "\nNOTE: With GPUs, reporting energy group contributions is not supported\n\n");
 727         }
 728         nbat->nenergrp = 1;
 729     }
 730     /* Temporary storage goes as #grp^3*simd_width^2/2, so limit to 64 */
 731     if (nbat->nenergrp > 64)
 732     {
 733         gmx_fatal(FARGS, "With NxN kernels not more than 64 energy groups are supported\n");
 734     }
 735     nbat->neg_2log = 1;
 736     while (nbat->nenergrp > (1<<nbat->neg_2log))
 737     {
 738         nbat->neg_2log++;
 739     }
 740     nbat->energrp = NULL;
 741     nbat->alloc((void **)&nbat->shift_vec, SHIFTS*sizeof(*nbat->shift_vec));
 742     nbat->xstride = (nbat->XFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 743     nbat->fstride = (nbat->FFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 744     nbat->x       = NULL;
 745
 746 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 747     if (simple)
 748     {
 749         nbnxn_atomdata_init_simple_exclusion_masks(nbat);
 750     }
 751 #endif
 752
 753     /* Initialize the output data structures */
 754     nbat->nout    = nout;
 755     snew(nbat->out, nbat->nout);
 756     nbat->nalloc  = 0;
 757     for (i = 0; i < nbat->nout; i++)
 758     {
 759         nbnxn_atomdata_output_init(&nbat->out[i],
 760                                    nb_kernel_type,
 761                                    nbat->nenergrp, 1<<nbat->neg_2log,
 762                                    nbat->alloc);
 763     }
 764     nbat->buffer_flags.flag        = NULL;
 765     nbat->buffer_flags.flag_nalloc = 0;
 766
 767     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
 768
 769     ptr = getenv("GMX_USE_TREEREDUCE");
 770     if (ptr != NULL)
 771     {
 772         nbat->bUseTreeReduce = strtol(ptr, 0, 10);
 773     }
 774 #if defined __MIC__
 775     else if (nth > 8) /*on the CPU we currently don't benefit even at 32*/
 776     {
 777         nbat->bUseTreeReduce = 1;
 778     }
 779 #endif
 780     else
 781     {
 782         nbat->bUseTreeReduce = 0;
 783     }
 784     if (nbat->bUseTreeReduce)
 785     {
 786         if (fp)
 787         {
 788             fprintf(fp, "Using tree force reduction\n\n");
 789         }
 790         snew(nbat->syncStep, nth);
 791     }
 792 }
 793
 794 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(const real *ljparam_type,
 795                                        const int *type, int na,
 796                                        real *ljparam_at)
 797 {
 798     int is, k, i;
 799
 800     /* The LJ params follow the combination rule:
 801      * copy the params for the type array to the atom array.
 802      */
 803     for (is = 0; is < na; is += PACK_X4)
 804     {
 805         for (k = 0; k < PACK_X4; k++)
 806         {
 807             i = is + k;
 808             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 809             ljparam_at[is*2+PACK_X4+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 810         }
 811     }
 812 }
 813
 814 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(const real *ljparam_type,
 815                                        const int *type, int na,
 816                                        real *ljparam_at)
 817 {
 818     int is, k, i;
 819
 820     /* The LJ params follow the combination rule:
 821      * copy the params for the type array to the atom array.
 822      */
 823     for (is = 0; is < na; is += PACK_X8)
 824     {
 825         for (k = 0; k < PACK_X8; k++)
 826         {
 827             i = is + k;
 828             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 829             ljparam_at[is*2+PACK_X8+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 830         }
 831     }
 832 }
 833
 834 /* Sets the atom type and LJ data in nbnxn_atomdata_t */
 835 static void nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 836                                          int                  ngrid,
 837                                          const nbnxn_search_t nbs,
 838                                          const int           *type)
 839 {
 840     int                 g, i, ncz, ash;
 841     const nbnxn_grid_t *grid;
 842
 843     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 844     {
 845         grid = &nbs->grid[g];
 846
 847         /* Loop over all columns and copy and fill */
 848         for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 849         {
 850             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 851             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 852
 853             copy_int_to_nbat_int(nbs->a+ash, grid->cxy_na[i], ncz*grid->na_sc,
 854                                  type, nbat->ntype-1, nbat->type+ash);
 855
 856             if (nbat->comb_rule != ljcrNONE)
 857             {
 858                 if (nbat->XFormat == nbatX4)
 859                 {
 860                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(nbat->nbfp_comb,
 861                                                nbat->type+ash, ncz*grid->na_sc,
 862                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 863                 }
 864                 else if (nbat->XFormat == nbatX8)
 865                 {
 866                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(nbat->nbfp_comb,
 867                                                nbat->type+ash, ncz*grid->na_sc,
 868                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 869                 }
 870             }
 871         }
 872     }
 873 }
 874
 875 /* Sets the charges in nbnxn_atomdata_t *nbat */
 876 static void nbnxn_atomdata_set_charges(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 877                                        int                  ngrid,
 878                                        const nbnxn_search_t nbs,
 879                                        const real          *charge)
 880 {
 881     int                 g, cxy, ncz, ash, na, na_round, i, j;
 882     real               *q;
 883     const nbnxn_grid_t *grid;
 884
 885     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 886     {
 887         grid = &nbs->grid[g];
 888
 889         /* Loop over all columns and copy and fill */
 890         for (cxy = 0; cxy < grid->ncx*grid->ncy; cxy++)
 891         {
 892             ash      = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 893             na       = grid->cxy_na[cxy];
 894             na_round = (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 895
 896             if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 897             {
 898                 q = nbat->x + ash*STRIDE_XYZQ + ZZ + 1;
 899                 for (i = 0; i < na; i++)
 900                 {
 901                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 902                     q += STRIDE_XYZQ;
 903                 }
 904                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 905                 for (; i < na_round; i++)
 906                 {
 907                     *q = 0;
 908                     q += STRIDE_XYZQ;
 909                 }
 910             }
 911             else
 912             {
 913                 q = nbat->q + ash;
 914                 for (i = 0; i < na; i++)
 915                 {
 916                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 917                     q++;
 918                 }
 919                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 920                 for (; i < na_round; i++)
 921                 {
 922                     *q = 0;
 923                     q++;
 924                 }
 925             }
 926         }
 927     }
 928 }
 929
 930 /* Copies the energy group indices to a reordered and packed array */
 931 static void copy_egp_to_nbat_egps(const int *a, int na, int na_round,
 932                                   int na_c, int bit_shift,
 933                                   const int *in, int *innb)
 934 {
 935     int i, j, sa, at;
 936     int comb;
 937
 938     j = 0;
 939     for (i = 0; i < na; i += na_c)
 940     {
 941         /* Store na_c energy group numbers into one int */
 942         comb = 0;
 943         for (sa = 0; sa < na_c; sa++)
 944         {
 945             at = a[i+sa];
 946             if (at >= 0)
 947             {
 948                 comb |= (GET_CGINFO_GID(in[at]) << (sa*bit_shift));
 949             }
 950         }
 951         innb[j++] = comb;
 952     }
 953     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 954     for (; i < na_round; i += na_c)
 955     {
 956         innb[j++] = 0;
 957     }
 958 }
 959
 960 /* Set the energy group indices for atoms in nbnxn_atomdata_t */
 961 static void nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 962                                             int                  ngrid,
 963                                             const nbnxn_search_t nbs,
 964                                             const int           *atinfo)
 965 {
 966     int                 g, i, ncz, ash;
 967     const nbnxn_grid_t *grid;
 968
 969     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 970     {
 971         grid = &nbs->grid[g];
 972
 973         /* Loop over all columns and copy and fill */
 974         for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 975         {
 976             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 977             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 978
 979             copy_egp_to_nbat_egps(nbs->a+ash, grid->cxy_na[i], ncz*grid->na_sc,
 980                                   nbat->na_c, nbat->neg_2log,
 981                                   atinfo, nbat->energrp+(ash>>grid->na_c_2log));
 982         }
 983     }
 984 }
 985
 986 /* Sets all required atom parameter data in nbnxn_atomdata_t */
 987 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 988                         int                  locality,
 989                         const nbnxn_search_t nbs,
 990                         const t_mdatoms     *mdatoms,
 991                         const int           *atinfo)
 992 {
 993     int ngrid;
 994
 995     if (locality == eatLocal)
 996     {
 997         ngrid = 1;
 998     }
 999     else
1000     {
1001         ngrid = nbs->ngrid;
1002     }
1003
1004     nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbat, ngrid, nbs, mdatoms->typeA);
1005
1006     nbnxn_atomdata_set_charges(nbat, ngrid, nbs, mdatoms->chargeA);
1007
1008     if (nbat->nenergrp > 1)
1009     {
1010         nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbat, ngrid, nbs, atinfo);
1011     }
1012 }
1013
1014 /* Copies the shift vector array to nbnxn_atomdata_t */
1015 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool          bDynamicBox,
1016                                   rvec             *shift_vec,
1017                                   nbnxn_atomdata_t *nbat)
1018 {
1019     int i;
1020
1021     nbat->bDynamicBox = bDynamicBox;
1022     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
1023     {
1024         copy_rvec(shift_vec[i], nbat->shift_vec[i]);
1025     }
1026 }
1027
1028 /* Copies (and reorders) the coordinates to nbnxn_atomdata_t */
1029 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const nbnxn_search_t nbs,
1030                                      int                  locality,
1031                                      gmx_bool             FillLocal,
1032                                      rvec                *x,
1033                                      nbnxn_atomdata_t    *nbat)
1034 {
1035     int g0 = 0, g1 = 0;
1036     int nth, th;
1037
1038     switch (locality)
1039     {
1040         case eatAll:
1041             g0 = 0;
1042             g1 = nbs->ngrid;
1043             break;
1044         case eatLocal:
1045             g0 = 0;
1046             g1 = 1;
1047             break;
1048         case eatNonlocal:
1049             g0 = 1;
1050             g1 = nbs->ngrid;
1051             break;
1052     }
1053
1054     if (FillLocal)
1055     {
1056         nbat->natoms_local = nbs->grid[0].nc*nbs->grid[0].na_sc;
1057     }
1058
1059     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1060
1061 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1062     for (th = 0; th < nth; th++)
1063     {
1064         int g;
1065
1066         for (g = g0; g < g1; g++)
1067         {
1068             const nbnxn_grid_t *grid;
1069             int                 cxy0, cxy1, cxy;
1070
1071             grid = &nbs->grid[g];
1072
1073             cxy0 = (grid->ncx*grid->ncy* th   +nth-1)/nth;
1074             cxy1 = (grid->ncx*grid->ncy*(th+1)+nth-1)/nth;
1075
1076             for (cxy = cxy0; cxy < cxy1; cxy++)
1077             {
1078                 int na, ash, na_fill;
1079
1080                 na  = grid->cxy_na[cxy];
1081                 ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1082
1083                 if (g == 0 && FillLocal)
1084                 {
1085                     na_fill =
1086                         (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1087                 }
1088                 else
1089                 {
1090                     /* We fill only the real particle locations.
1091                      * We assume the filling entries at the end have been
1092                      * properly set before during ns.
1093                      */
1094                     na_fill = na;
1095                 }
1096                 copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+ash, na, na_fill, x,
1097                                        nbat->XFormat, nbat->x, ash,
1098                                        0, 0, 0);
1099             }
1100         }
1101     }
1102 }
1103
1104 static void
1105 nbnxn_atomdata_clear_reals(real * gmx_restrict dest,
1106                            int i0, int i1)
1107 {
1108     int i;
1109
1110     for (i = i0; i < i1; i++)
1111     {
1112         dest[i] = 0;
1113     }
1114 }
1115
1116 static void
1117 nbnxn_atomdata_reduce_reals(real * gmx_restrict dest,
1118                             gmx_bool bDestSet,
1119                             real ** gmx_restrict src,
1120                             int nsrc,
1121                             int i0, int i1)
1122 {
1123     int i, s;
1124
1125     if (bDestSet)
1126     {
1127         /* The destination buffer contains data, add to it */
1128         for (i = i0; i < i1; i++)
1129         {
1130             for (s = 0; s < nsrc; s++)
1131             {
1132                 dest[i] += src[s][i];
1133             }
1134         }
1135     }
1136     else
1137     {
1138         /* The destination buffer is unitialized, set it first */
1139         for (i = i0; i < i1; i++)
1140         {
1141             dest[i] = src[0][i];
1142             for (s = 1; s < nsrc; s++)
1143             {
1144                 dest[i] += src[s][i];
1145             }
1146         }
1147     }
1148 }
1149
1150 static void
1151 nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd(real gmx_unused * gmx_restrict dest,
1152                                  gmx_bool gmx_unused bDestSet,
1153                                  real gmx_unused ** gmx_restrict src,
1154                                  int gmx_unused nsrc,
1155                                  int gmx_unused i0, int gmx_unused i1)
1156 {
1157 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1158 /* The SIMD width here is actually independent of that in the kernels,
1159  * but we use the same width for simplicity (usually optimal anyhow).
1160  */
1161     int       i, s;
1162     gmx_mm_pr dest_SSE, src_SSE;
1163
1164     if (bDestSet)
1165     {
1166         for (i = i0; i < i1; i += GMX_SIMD_WIDTH_HERE)
1167         {
1168             dest_SSE = gmx_load_pr(dest+i);
1169             for (s = 0; s < nsrc; s++)
1170             {
1171                 src_SSE  = gmx_load_pr(src[s]+i);
1172                 dest_SSE = gmx_add_pr(dest_SSE, src_SSE);
1173             }
1174             gmx_store_pr(dest+i, dest_SSE);
1175         }
1176     }
1177     else
1178     {
1179         for (i = i0; i < i1; i += GMX_SIMD_WIDTH_HERE)
1180         {
1181             dest_SSE = gmx_load_pr(src[0]+i);
1182             for (s = 1; s < nsrc; s++)
1183             {
1184                 src_SSE  = gmx_load_pr(src[s]+i);
1185                 dest_SSE = gmx_add_pr(dest_SSE, src_SSE);
1186             }
1187             gmx_store_pr(dest+i, dest_SSE);
1188         }
1189     }
1190 #endif
1191 }
1192
1193 /* Add part of the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1194 static void
1195 nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(const nbnxn_search_t nbs,
1196                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1197                                     nbnxn_atomdata_output_t *out,
1198                                     int nfa,
1199                                     int a0, int a1,
1200                                     rvec *f)
1201 {
1202     int         a, i, fa;
1203     const int  *cell;
1204     const real *fnb;
1205
1206     cell = nbs->cell;
1207
1208     /* Loop over all columns and copy and fill */
1209     switch (nbat->FFormat)
1210     {
1211         case nbatXYZ:
1212         case nbatXYZQ:
1213             if (nfa == 1)
1214             {
1215                 fnb = out[0].f;
1216
1217                 for (a = a0; a < a1; a++)
1218                 {
1219                     i = cell[a]*nbat->fstride;
1220
1221                     f[a][XX] += fnb[i];
1222                     f[a][YY] += fnb[i+1];
1223                     f[a][ZZ] += fnb[i+2];
1224                 }
1225             }
1226             else
1227             {
1228                 for (a = a0; a < a1; a++)
1229                 {
1230                     i = cell[a]*nbat->fstride;
1231
1232                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1233                     {
1234                         f[a][XX] += out[fa].f[i];
1235                         f[a][YY] += out[fa].f[i+1];
1236                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+2];
1237                     }
1238                 }
1239             }
1240             break;
1241         case nbatX4:
1242             if (nfa == 1)
1243             {
1244                 fnb = out[0].f;
1245
1246                 for (a = a0; a < a1; a++)
1247                 {
1248                     i = X4_IND_A(cell[a]);
1249
1250                     f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X4];
1251                     f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X4];
1252                     f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X4];
1253                 }
1254             }
1255             else
1256             {
1257                 for (a = a0; a < a1; a++)
1258                 {
1259                     i = X4_IND_A(cell[a]);
1260
1261                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1262                     {
1263                         f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X4];
1264                         f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X4];
1265                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X4];
1266                     }
1267                 }
1268             }
1269             break;
1270         case nbatX8:
1271             if (nfa == 1)
1272             {
1273                 fnb = out[0].f;
1274
1275                 for (a = a0; a < a1; a++)
1276                 {
1277                     i = X8_IND_A(cell[a]);
1278
1279                     f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X8];
1280                     f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X8];
1281                     f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X8];
1282                 }
1283             }
1284             else
1285             {
1286                 for (a = a0; a < a1; a++)
1287                 {
1288                     i = X8_IND_A(cell[a]);
1289
1290                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1291                     {
1292                         f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X8];
1293                         f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X8];
1294                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X8];
1295                     }
1296                 }
1297             }
1298             break;
1299         default:
1300             gmx_incons("Unsupported nbnxn_atomdata_t format");
1301     }
1302 }
1303
1304 static gmx_inline unsigned char reverse_bits(unsigned char b)
1305 {
1306     /* http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#ReverseByteWith64BitsDiv */
1307     return (b * 0x0202020202ULL & 0x010884422010ULL) % 1023;
1308 }
1309
1310 static void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_treereduce(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1311                                                       int                     nth)
1312 {
1313     const nbnxn_buffer_flags_t *flags = &nbat->buffer_flags;
1314
1315     int next_pow2 = 1<<(gmx_log2i(nth-1)+1);
1316
1317     assert(nbat->nout == nth); /* tree-reduce currently only works for nout==nth */
1318
1319     memset(nbat->syncStep, 0, sizeof(*(nbat->syncStep))*nth);
1320
1321 #pragma omp parallel num_threads(nth)
1322     {
1323         int   b0, b1, b;
1324         int   i0, i1;
1325         int   group_size, th;
1326
1327         th = gmx_omp_get_thread_num();
1328
1329         for (group_size = 2; group_size < 2*next_pow2; group_size *= 2)
1330         {
1331             int index[2], group_pos, partner_pos, wu;
1332             int partner_th = th ^ (group_size/2);
1333
1334             if (group_size > 2)
1335             {
1336 #ifdef TMPI_ATOMICS
1337                 /* wait on partner thread - replaces full barrier */
1338                 int sync_th, sync_group_size;
1339
1340                 tMPI_Atomic_memory_barrier();                         /* gurantee data is saved before marking work as done */
1341                 tMPI_Atomic_set(&(nbat->syncStep[th]), group_size/2); /* mark previous step as completed */
1342
1343                 /* find thread to sync with. Equal to partner_th unless nth is not a power of two. */
1344                 for (sync_th = partner_th, sync_group_size = group_size; sync_th >= nth && sync_group_size > 2; sync_group_size /= 2)
1345                 {
1346                     sync_th &= ~(sync_group_size/4);
1347                 }
1348                 if (sync_th < nth) /* otherwise nothing to sync index[1] will be >=nout */
1349                 {
1350                     /* wait on the thread which computed input data in previous step */
1351                     while (tMPI_Atomic_get((volatile tMPI_Atomic_t*)&(nbat->syncStep[sync_th])) < group_size/2)
1352                     {
1353                         gmx_pause();
1354                     }
1355                     /* guarantee that no later load happens before wait loop is finisehd */
1356                     tMPI_Atomic_memory_barrier();
1357                 }
1358 #else           /* TMPI_ATOMICS */
1359 #pragma omp barrier
1360 #endif
1361             }
1362
1363             /* Calculate buffers to sum (result goes into first buffer) */
1364             group_pos = th % group_size;
1365             index[0]  = th - group_pos;
1366             index[1]  = index[0] + group_size/2;
1367
1368             /* If no second buffer, nothing to do */
1369             if (index[1] >= nbat->nout && group_size > 2)
1370             {
1371                 continue;
1372             }
1373
1374 #if NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS > 256
1375 #error reverse_bits assumes max 256 threads
1376 #endif
1377             /* Position is permuted so that one of the 2 vectors being added was computed on the same thread in the previous step.
1378                This improves locality and enables to sync with just a single thread between steps (=the levels in the btree).
1379                The permutation which allows this corresponds to reversing the bits of the group position.
1380              */
1381             group_pos = reverse_bits(group_pos)/(256/group_size);
1382
1383             partner_pos = group_pos ^ 1;
1384
1385             /* loop over two work-units (own and partner) */
1386             for (wu = 0; wu < 2; wu++)
1387             {
1388                 if (wu == 1)
1389                 {
1390                     if (partner_th < nth)
1391                     {
1392                         break; /* partner exists we don't have to do his work */
1393                     }
1394                     else
1395                     {
1396                         group_pos = partner_pos;
1397                     }
1398                 }
1399
1400                 /* Calculate the cell-block range for our thread */
1401                 b0 = (flags->nflag* group_pos   )/group_size;
1402                 b1 = (flags->nflag*(group_pos+1))/group_size;
1403
1404                 for (b = b0; b < b1; b++)
1405                 {
1406                     i0 =  b   *NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1407                     i1 = (b+1)*NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1408
1409                     if ((flags->flag[b] & (1ULL<<index[1])) || group_size > 2)
1410                     {
1411 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1412                         nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd
1413 #else
1414                         nbnxn_atomdata_reduce_reals
1415 #endif
1416                             (nbat->out[index[0]].f,
1417                             (flags->flag[b] & (1ULL<<index[0])) || group_size > 2,
1418                             &(nbat->out[index[1]].f), 1, i0, i1);
1419
1420                     }
1421                     else if (!(flags->flag[b] & (1ULL<<index[0])))
1422                     {
1423                         nbnxn_atomdata_clear_reals(nbat->out[index[0]].f,
1424                                                    i0, i1);
1425                     }
1426                 }
1427             }
1428         }
1429     }
1430 }
1431
1432
1433 static void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_stdreduce(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1434                                                      int                     nth)
1435 {
1436     int th;
1437 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1438     for (th = 0; th < nth; th++)
1439     {
1440         const nbnxn_buffer_flags_t *flags;
1441         int   b0, b1, b;
1442         int   i0, i1;
1443         int   nfptr;
1444         real *fptr[NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS];
1445         int   out;
1446
1447         flags = &nbat->buffer_flags;
1448
1449         /* Calculate the cell-block range for our thread */
1450         b0 = (flags->nflag* th   )/nth;
1451         b1 = (flags->nflag*(th+1))/nth;
1452
1453         for (b = b0; b < b1; b++)
1454         {
1455             i0 =  b   *NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1456             i1 = (b+1)*NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1457
1458             nfptr = 0;
1459             for (out = 1; out < nbat->nout; out++)
1460             {
1461                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
1462                 {
1463                     fptr[nfptr++] = nbat->out[out].f;
1464                 }
1465             }
1466             if (nfptr > 0)
1467             {
1468 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1469                 nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd
1470 #else
1471                 nbnxn_atomdata_reduce_reals
1472 #endif
1473                     (nbat->out[0].f,
1474                     flags->flag[b] & (1U<<0),
1475                     fptr, nfptr,
1476                     i0, i1);
1477             }
1478             else if (!(flags->flag[b] & (1U<<0)))
1479             {
1480                 nbnxn_atomdata_clear_reals(nbat->out[0].f,
1481                                            i0, i1);
1482             }
1483         }
1484     }
1485 }
1486
1487 /* Add the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1488 void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f(const nbnxn_search_t    nbs,
1489                                     int                     locality,
1490                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1491                                     rvec                   *f)
1492 {
1493     int a0 = 0, na = 0;
1494     int nth, th;
1495
1496     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1497
1498     switch (locality)
1499     {
1500         case eatAll:
1501             a0 = 0;
1502             na = nbs->natoms_nonlocal;
1503             break;
1504         case eatLocal:
1505             a0 = 0;
1506             na = nbs->natoms_local;
1507             break;
1508         case eatNonlocal:
1509             a0 = nbs->natoms_local;
1510             na = nbs->natoms_nonlocal - nbs->natoms_local;
1511             break;
1512     }
1513
1514     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
1515
1516     if (nbat->nout > 1)
1517     {
1518         if (locality != eatAll)
1519         {
1520             gmx_incons("add_f_to_f called with nout>1 and locality!=eatAll");
1521         }
1522
1523         /* Reduce the force thread output buffers into buffer 0, before adding
1524          * them to the, differently ordered, "real" force buffer.
1525          */
1526         if (nbat->bUseTreeReduce)
1527         {
1528             nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_treereduce(nbat, nth);
1529         }
1530         else
1531         {
1532             nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_stdreduce(nbat, nth);
1533         }
1534     }
1535 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1536     for (th = 0; th < nth; th++)
1537     {
1538         nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(nbs, nbat,
1539                                             nbat->out,
1540                                             1,
1541                                             a0+((th+0)*na)/nth,
1542                                             a0+((th+1)*na)/nth,
1543                                             f);
1544     }
1545
1546     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1547 }
1548
1549 /* Adds the shift forces from nbnxn_atomdata_t to fshift */
1550 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1551                                               rvec                   *fshift)
1552 {
1553     const nbnxn_atomdata_output_t *out;
1554     int  th;
1555     int  s;
1556     rvec sum;
1557
1558     out = nbat->out;
1559
1560     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
1561     {
1562         clear_rvec(sum);
1563         for (th = 0; th < nbat->nout; th++)
1564         {
1565             sum[XX] += out[th].fshift[s*DIM+XX];
1566             sum[YY] += out[th].fshift[s*DIM+YY];
1567             sum[ZZ] += out[th].fshift[s*DIM+ZZ];
1568         }
1569         rvec_inc(fshift[s], sum);
1570     }
1571 }