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_atomdata.h"
  49 #include "nbnxn_search.h"
  50 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  51 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  52
  53 /* Default nbnxn allocation routine, allocates NBNXN_MEM_ALIGN byte aligned */
  54 void nbnxn_alloc_aligned(void **ptr, size_t nbytes)
  55 {
  56     *ptr = save_malloc_aligned("ptr", __FILE__, __LINE__, nbytes, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
  57 }
  58
  59 /* Free function for memory allocated with nbnxn_alloc_aligned */
  60 void nbnxn_free_aligned(void *ptr)
  61 {
  62     sfree_aligned(ptr);
  63 }
  64
  65 /* Reallocation wrapper function for nbnxn data structures */
  66 void nbnxn_realloc_void(void **ptr,
  67                         int nbytes_copy, int nbytes_new,
  68                         nbnxn_alloc_t *ma,
  69                         nbnxn_free_t  *mf)
  70 {
  71     void *ptr_new;
  72
  73     ma(&ptr_new, nbytes_new);
  74
  75     if (nbytes_new > 0 && ptr_new == NULL)
  76     {
  77         gmx_fatal(FARGS, "Allocation of %d bytes failed", nbytes_new);
  78     }
  79
  80     if (nbytes_copy > 0)
  81     {
  82         if (nbytes_new < nbytes_copy)
  83         {
  84             gmx_incons("In nbnxn_realloc_void: new size less than copy size");
  85         }
  86         memcpy(ptr_new, *ptr, nbytes_copy);
  87     }
  88     if (*ptr != NULL)
  89     {
  90         mf(*ptr);
  91     }
  92     *ptr = ptr_new;
  93 }
  94
  95 /* Reallocate the nbnxn_atomdata_t for a size of n atoms */
  96 void nbnxn_atomdata_realloc(nbnxn_atomdata_t *nbat, int n)
  97 {
  98     int t;
  99
 100     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->type,
 101                        nbat->natoms*sizeof(*nbat->type),
 102                        n*sizeof(*nbat->type),
 103                        nbat->alloc, nbat->free);
 104     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->lj_comb,
 105                        nbat->natoms*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 106                        n*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 107                        nbat->alloc, nbat->free);
 108     if (nbat->XFormat != nbatXYZQ)
 109     {
 110         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->q,
 111                            nbat->natoms*sizeof(*nbat->q),
 112                            n*sizeof(*nbat->q),
 113                            nbat->alloc, nbat->free);
 114     }
 115     if (nbat->nenergrp > 1)
 116     {
 117         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->energrp,
 118                            nbat->natoms/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 119                            n/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 120                            nbat->alloc, nbat->free);
 121     }
 122     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->x,
 123                        nbat->natoms*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 124                        n*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 125                        nbat->alloc, nbat->free);
 126     for (t = 0; t < nbat->nout; t++)
 127     {
 128         /* Allocate one element extra for possible signaling with CUDA */
 129         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->out[t].f,
 130                            nbat->natoms*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 131                            n*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 132                            nbat->alloc, nbat->free);
 133     }
 134     nbat->nalloc = n;
 135 }
 136
 137 /* Initializes an nbnxn_atomdata_output_t data structure */
 138 static void nbnxn_atomdata_output_init(nbnxn_atomdata_output_t *out,
 139                                        int nb_kernel_type,
 140                                        int nenergrp, int stride,
 141                                        nbnxn_alloc_t *ma)
 142 {
 143     int cj_size;
 144
 145     out->f = NULL;
 146     ma((void **)&out->fshift, SHIFTS*DIM*sizeof(*out->fshift));
 147     out->nV = nenergrp*nenergrp;
 148     ma((void **)&out->Vvdw, out->nV*sizeof(*out->Vvdw));
 149     ma((void **)&out->Vc, out->nV*sizeof(*out->Vc  ));
 150
 151     if (nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_4xN ||
 152         nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_2xNN)
 153     {
 154         cj_size  = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
 155         out->nVS = nenergrp*nenergrp*stride*(cj_size>>1)*cj_size;
 156         ma((void **)&out->VSvdw, out->nVS*sizeof(*out->VSvdw));
 157         ma((void **)&out->VSc, out->nVS*sizeof(*out->VSc  ));
 158     }
 159     else
 160     {
 161         out->nVS = 0;
 162     }
 163 }
 164
 165 static void copy_int_to_nbat_int(const int *a, int na, int na_round,
 166                                  const int *in, int fill, int *innb)
 167 {
 168     int i, j;
 169
 170     j = 0;
 171     for (i = 0; i < na; i++)
 172     {
 173         innb[j++] = in[a[i]];
 174     }
 175     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 176     for (; i < na_round; i++)
 177     {
 178         innb[j++] = fill;
 179     }
 180 }
 181
 182 static void clear_nbat_real(int na, int nbatFormat, real *xnb, int a0)
 183 {
 184     int a, d, j, c;
 185
 186     switch (nbatFormat)
 187     {
 188         case nbatXYZ:
 189             for (a = 0; a < na; a++)
 190             {
 191                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 192                 {
 193                     xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZ+d] = 0;
 194                 }
 195             }
 196             break;
 197         case nbatXYZQ:
 198             for (a = 0; a < na; a++)
 199             {
 200                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 201                 {
 202                     xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZQ+d] = 0;
 203                 }
 204             }
 205             break;
 206         case nbatX4:
 207             j = X4_IND_A(a0);
 208             c = a0 & (PACK_X4-1);
 209             for (a = 0; a < na; a++)
 210             {
 211                 xnb[j+XX*PACK_X4] = 0;
 212                 xnb[j+YY*PACK_X4] = 0;
 213                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = 0;
 214                 j++;
 215                 c++;
 216                 if (c == PACK_X4)
 217                 {
 218                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 219                     c  = 0;
 220                 }
 221             }
 222             break;
 223         case nbatX8:
 224             j = X8_IND_A(a0);
 225             c = a0 & (PACK_X8-1);
 226             for (a = 0; a < na; a++)
 227             {
 228                 xnb[j+XX*PACK_X8] = 0;
 229                 xnb[j+YY*PACK_X8] = 0;
 230                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = 0;
 231                 j++;
 232                 c++;
 233                 if (c == PACK_X8)
 234                 {
 235                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 236                     c  = 0;
 237                 }
 238             }
 239             break;
 240     }
 241 }
 242
 243 void copy_rvec_to_nbat_real(const int *a, int na, int na_round,
 244                             rvec *x, int nbatFormat, real *xnb, int a0,
 245                             int cx, int cy, int cz)
 246 {
 247     int i, j, c;
 248
 249 /* We might need to place filler particles to fill up the cell to na_round.
 250  * The coefficients (LJ and q) for such particles are zero.
 251  * But we might still get NaN as 0*NaN when distances are too small.
 252  * We hope that -107 nm is far away enough from to zero
 253  * to avoid accidental short distances to particles shifted down for pbc.
 254  */
 255 #define NBAT_FAR_AWAY 107
 256
 257     switch (nbatFormat)
 258     {
 259         case nbatXYZ:
 260             j = a0*STRIDE_XYZ;
 261             for (i = 0; i < na; i++)
 262             {
 263                 xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 264                 xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 265                 xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 266             }
 267             /* Complete the partially filled last cell with copies of the last element.
 268              * This simplifies the bounding box calculation and avoid
 269              * numerical issues with atoms that are coincidentally close.
 270              */
 271             for (; i < na_round; i++)
 272             {
 273                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 274                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 275                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 276             }
 277             break;
 278         case nbatXYZQ:
 279             j = a0*STRIDE_XYZQ;
 280             for (i = 0; i < na; i++)
 281             {
 282                 xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 283                 xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 284                 xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 285                 j++;
 286             }
 287             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 288             for (; i < na_round; i++)
 289             {
 290                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 291                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 292                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 293                 j++;
 294             }
 295             break;
 296         case nbatX4:
 297             j = X4_IND_A(a0);
 298             c = a0 & (PACK_X4-1);
 299             for (i = 0; i < na; i++)
 300             {
 301                 xnb[j+XX*PACK_X4] = x[a[i]][XX];
 302                 xnb[j+YY*PACK_X4] = x[a[i]][YY];
 303                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = x[a[i]][ZZ];
 304                 j++;
 305                 c++;
 306                 if (c == PACK_X4)
 307                 {
 308                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 309                     c  = 0;
 310                 }
 311             }
 312             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 313             for (; i < na_round; i++)
 314             {
 315                 xnb[j+XX*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 316                 xnb[j+YY*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 317                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 318                 j++;
 319                 c++;
 320                 if (c == PACK_X4)
 321                 {
 322                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 323                     c  = 0;
 324                 }
 325             }
 326             break;
 327         case nbatX8:
 328             j = X8_IND_A(a0);
 329             c = a0 & (PACK_X8 - 1);
 330             for (i = 0; i < na; i++)
 331             {
 332                 xnb[j+XX*PACK_X8] = x[a[i]][XX];
 333                 xnb[j+YY*PACK_X8] = x[a[i]][YY];
 334                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = x[a[i]][ZZ];
 335                 j++;
 336                 c++;
 337                 if (c == PACK_X8)
 338                 {
 339                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 340                     c  = 0;
 341                 }
 342             }
 343             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 344             for (; i < na_round; i++)
 345             {
 346                 xnb[j+XX*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 347                 xnb[j+YY*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 348                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 349                 j++;
 350                 c++;
 351                 if (c == PACK_X8)
 352                 {
 353                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 354                     c  = 0;
 355                 }
 356             }
 357             break;
 358         default:
 359             gmx_incons("Unsupported nbnxn_atomdata_t format");
 360     }
 361 }
 362
 363 /* Stores the LJ parameter data in a format convenient for the SIMD kernels */
 364 static void set_ljparam_simd_data(nbnxn_atomdata_t *nbat)
 365 {
 366     int  nt, i, j;
 367     real c6, c12;
 368
 369     nt = nbat->ntype;
 370
 371     /* nbfp_s4 stores two parameters using a stride of 4,
 372      * because this would suit x86 SIMD single-precision
 373      * quad-load intrinsics. There's a slight inefficiency in
 374      * allocating and initializing nbfp_s4 when it might not
 375      * be used, but introducing the conditional code is not
 376      * really worth it. */
 377     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_s4, nt*nt*4*sizeof(*nbat->nbfp_s4));
 378     for (i = 0; i < nt; i++)
 379     {
 380         for (j = 0; j < nt; j++)
 381         {
 382             nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+0] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+0];
 383             nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+1] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+1];
 384             nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+2] = 0;
 385             nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+3] = 0;
 386         }
 387     }
 388
 389     switch (nbat->comb_rule)
 390     {
 391         case ljcrGEOM:
 392             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 393
 394             for (i = 0; i < nt; i++)
 395             {
 396                 /* Copy the diagonal from the nbfp matrix */
 397                 nbat->nbfp_comb[i*2  ] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ]);
 398                 nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1]);
 399             }
 400             break;
 401         case ljcrLB:
 402             for (i = 0; i < nt; i++)
 403             {
 404                 /* Get 6*C6 and 12*C12 from the diagonal of the nbfp matrix */
 405                 c6  = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ];
 406                 c12 = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1];
 407                 if (c6 > 0 && c12 > 0)
 408                 {
 409                     /* We store 0.5*2^1/6*sigma and sqrt(4*3*eps),
 410                      * so we get 6*C6 and 12*C12 after combining.
 411                      */
 412                     nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0.5*pow(c12/c6, 1.0/6.0);
 413                     nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(c6*c6/c12);
 414                 }
 415                 else
 416                 {
 417                     nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 418                     nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 419                 }
 420             }
 421             break;
 422         case ljcrNONE:
 423             /* We always store the full matrix (see code above) */
 424             break;
 425         default:
 426             gmx_incons("Unknown combination rule");
 427             break;
 428     }
 429 }
 430
 431 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 432 static void
 433 nbnxn_atomdata_init_simple_exclusion_masks(nbnxn_atomdata_t *nbat)
 434 {
 435     int       i, j;
 436     const int simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 437     int       simd_excl_size;
 438     /* Set the diagonal cluster pair exclusion mask setup data.
 439      * In the kernel we check 0 < j - i to generate the masks.
 440      * Here we store j - i for generating the mask for the first i,
 441      * we substract 0.5 to avoid rounding issues.
 442      * In the kernel we can subtract 1 to generate the subsequent mask.
 443      */
 444     int        simd_4xn_diag_size;
 445     const real simdFalse = -1, simdTrue = 1;
 446     real      *simd_interaction_array;
 447
 448     simd_4xn_diag_size = max(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, simd_width);
 449     snew_aligned(nbat->simd_4xn_diagonal_j_minus_i, simd_4xn_diag_size, NBNXN_MEM_ALIGN);
 450     for (j = 0; j < simd_4xn_diag_size; j++)
 451     {
 452         nbat->simd_4xn_diagonal_j_minus_i[j] = j - 0.5;
 453     }
 454
 455     snew_aligned(nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i, simd_width, NBNXN_MEM_ALIGN);
 456     for (j = 0; j < simd_width/2; j++)
 457     {
 458         /* The j-cluster size is half the SIMD width */
 459         nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i[j]              = j - 0.5;
 460         /* The next half of the SIMD width is for i + 1 */
 461         nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i[simd_width/2+j] = j - 1 - 0.5;
 462     }
 463
 464     /* We use up to 32 bits for exclusion masking.
 465      * The same masks are used for the 4xN and 2x(N+N) kernels.
 466      * The masks are read either into epi32 SIMD registers or into
 467      * real SIMD registers (together with a cast).
 468      * In single precision this means the real and epi32 SIMD registers
 469      * are of equal size.
 470      * In double precision the epi32 registers can be smaller than
 471      * the real registers, so depending on the architecture, we might
 472      * need to use two, identical, 32-bit masks per real.
 473      */
 474     simd_excl_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*simd_width;
 475     snew_aligned(nbat->simd_exclusion_filter1, simd_excl_size,   NBNXN_MEM_ALIGN);
 476     snew_aligned(nbat->simd_exclusion_filter2, simd_excl_size*2, NBNXN_MEM_ALIGN);
 477
 478     for (j = 0; j < simd_excl_size; j++)
 479     {
 480         /* Set the consecutive bits for masking pair exclusions */
 481         nbat->simd_exclusion_filter1[j]       = (1U << j);
 482         nbat->simd_exclusion_filter2[j*2 + 0] = (1U << j);
 483         nbat->simd_exclusion_filter2[j*2 + 1] = (1U << j);
 484     }
 485
 486 #if (defined GMX_SIMD_IBM_QPX)
 487     /* The QPX kernels shouldn't do the bit masking that is done on
 488      * x86, because the SIMD units lack bit-wise operations. Instead,
 489      * we generate a vector of all 2^4 possible ways an i atom
 490      * interacts with its 4 j atoms. Each array entry contains
 491      * simd_width signed ints that are read in a single SIMD
 492      * load. These ints must contain values that will be interpreted
 493      * as true and false when loaded in the SIMD floating-point
 494      * registers, ie. any positive or any negative value,
 495      * respectively. Each array entry encodes how this i atom will
 496      * interact with the 4 j atoms. Matching code exists in
 497      * set_ci_top_excls() to generate indices into this array. Those
 498      * indices are used in the kernels. */
 499
 500     simd_excl_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 501     const int qpx_simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 502     snew_aligned(simd_interaction_array, simd_excl_size * qpx_simd_width, NBNXN_MEM_ALIGN);
 503     for (j = 0; j < simd_excl_size; j++)
 504     {
 505         int index = j * qpx_simd_width;
 506         for (i = 0; i < qpx_simd_width; i++)
 507         {
 508             simd_interaction_array[index + i] = (j & (1 << i)) ? simdTrue : simdFalse;
 509         }
 510     }
 511     nbat->simd_interaction_array = simd_interaction_array;
 512 #endif
 513 }
 514 #endif
 515
 516 /* Initializes an nbnxn_atomdata_t data structure */
 517 void nbnxn_atomdata_init(FILE *fp,
 518                          nbnxn_atomdata_t *nbat,
 519                          int nb_kernel_type,
 520                          int enbnxninitcombrule,
 521                          int ntype, const real *nbfp,
 522                          int n_energygroups,
 523                          int nout,
 524                          nbnxn_alloc_t *alloc,
 525                          nbnxn_free_t  *free)
 526 {
 527     int      i, j, nth;
 528     real     c6, c12, tol;
 529     char    *ptr;
 530     gmx_bool simple, bCombGeom, bCombLB;
 531
 532     if (alloc == NULL)
 533     {
 534         nbat->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
 535     }
 536     else
 537     {
 538         nbat->alloc = alloc;
 539     }
 540     if (free == NULL)
 541     {
 542         nbat->free = nbnxn_free_aligned;
 543     }
 544     else
 545     {
 546         nbat->free = free;
 547     }
 548
 549     if (debug)
 550     {
 551         fprintf(debug, "There are %d atom types in the system, adding one for nbnxn_atomdata_t\n", ntype);
 552     }
 553     nbat->ntype = ntype + 1;
 554     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp,
 555                 nbat->ntype*nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp));
 556     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_comb, nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp_comb));
 557
 558     /* A tolerance of 1e-5 seems reasonable for (possibly hand-typed)
 559      * force-field floating point parameters.
 560      */
 561     tol = 1e-5;
 562     ptr = getenv("GMX_LJCOMB_TOL");
 563     if (ptr != NULL)
 564     {
 565         double dbl;
 566
 567         sscanf(ptr, "%lf", &dbl);
 568         tol = dbl;
 569     }
 570     bCombGeom = TRUE;
 571     bCombLB   = TRUE;
 572
 573     /* Temporarily fill nbat->nbfp_comb with sigma and epsilon
 574      * to check for the LB rule.
 575      */
 576     for (i = 0; i < ntype; i++)
 577     {
 578         c6  = nbfp[(i*ntype+i)*2  ]/6.0;
 579         c12 = nbfp[(i*ntype+i)*2+1]/12.0;
 580         if (c6 > 0 && c12 > 0)
 581         {
 582             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = pow(c12/c6, 1.0/6.0);
 583             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0.25*c6*c6/c12;
 584         }
 585         else if (c6 == 0 && c12 == 0)
 586         {
 587             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 588             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 589         }
 590         else
 591         {
 592             /* Can not use LB rule with only dispersion or repulsion */
 593             bCombLB = FALSE;
 594         }
 595     }
 596
 597     for (i = 0; i < nbat->ntype; i++)
 598     {
 599         for (j = 0; j < nbat->ntype; j++)
 600         {
 601             if (i < ntype && j < ntype)
 602             {
 603                 /* fr->nbfp has been updated, so that array too now stores c6/c12 including
 604                  * the 6.0/12.0 prefactors to save 2 flops in the most common case (force-only).
 605                  */
 606                 c6  = nbfp[(i*ntype+j)*2  ];
 607                 c12 = nbfp[(i*ntype+j)*2+1];
 608                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = c6;
 609                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = c12;
 610
 611                 /* Compare 6*C6 and 12*C12 for geometric cobination rule */
 612                 bCombGeom = bCombGeom &&
 613                     gmx_within_tol(c6*c6, nbfp[(i*ntype+i)*2  ]*nbfp[(j*ntype+j)*2  ], tol) &&
 614                     gmx_within_tol(c12*c12, nbfp[(i*ntype+i)*2+1]*nbfp[(j*ntype+j)*2+1], tol);
 615
 616                 /* Compare C6 and C12 for Lorentz-Berthelot combination rule */
 617                 c6     /= 6.0;
 618                 c12    /= 12.0;
 619                 bCombLB = bCombLB &&
 620                     ((c6 == 0 && c12 == 0 &&
 621                       (nbat->nbfp_comb[i*2+1] == 0 || nbat->nbfp_comb[j*2+1] == 0)) ||
 622                      (c6 > 0 && c12 > 0 &&
 623                       gmx_within_tol(pow(c12/c6, 1.0/6.0), 0.5*(nbat->nbfp_comb[i*2]+nbat->nbfp_comb[j*2]), tol) &&
 624                       gmx_within_tol(0.25*c6*c6/c12, sqrt(nbat->nbfp_comb[i*2+1]*nbat->nbfp_comb[j*2+1]), tol)));
 625             }
 626             else
 627             {
 628                 /* Add zero parameters for the additional dummy atom type */
 629                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = 0;
 630                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 0;
 631             }
 632         }
 633     }
 634     if (debug)
 635     {
 636         fprintf(debug, "Combination rules: geometric %d Lorentz-Berthelot %d\n",
 637                 bCombGeom, bCombLB);
 638     }
 639
 640     simple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
 641
 642     switch (enbnxninitcombrule)
 643     {
 644         case enbnxninitcombruleDETECT:
 645             /* We prefer the geometic combination rule,
 646              * as that gives a slightly faster kernel than the LB rule.
 647              */
 648             if (bCombGeom)
 649             {
 650                 nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 651             }
 652             else if (bCombLB)
 653             {
 654                 nbat->comb_rule = ljcrLB;
 655             }
 656             else
 657             {
 658                 nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 659
 660                 nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 661             }
 662
 663             if (fp)
 664             {
 665                 if (nbat->comb_rule == ljcrNONE)
 666                 {
 667                     fprintf(fp, "Using full Lennard-Jones parameter combination matrix\n\n");
 668                 }
 669                 else
 670                 {
 671                     fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones combination rule\n\n",
 672                             nbat->comb_rule == ljcrGEOM ? "geometric" : "Lorentz-Berthelot");
 673                 }
 674             }
 675             break;
 676         case enbnxninitcombruleGEOM:
 677             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 678             break;
 679         case enbnxninitcombruleLB:
 680             nbat->comb_rule = ljcrLB;
 681             break;
 682         case enbnxninitcombruleNONE:
 683             nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 684
 685             nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 686             break;
 687         default:
 688             gmx_incons("Unknown enbnxninitcombrule");
 689     }
 690
 691     if (simple)
 692     {
 693         set_ljparam_simd_data(nbat);
 694     }
 695
 696     nbat->natoms  = 0;
 697     nbat->type    = NULL;
 698     nbat->lj_comb = NULL;
 699     if (simple)
 700     {
 701         int pack_x;
 702
 703         switch (nb_kernel_type)
 704         {
 705             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 706             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 707                 pack_x = max(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE,
 708                              nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type));
 709                 switch (pack_x)
 710                 {
 711                     case 4:
 712                         nbat->XFormat = nbatX4;
 713                         break;
 714                     case 8:
 715                         nbat->XFormat = nbatX8;
 716                         break;
 717                     default:
 718                         gmx_incons("Unsupported packing width");
 719                 }
 720                 break;
 721             default:
 722                 nbat->XFormat = nbatXYZ;
 723                 break;
 724         }
 725
 726         nbat->FFormat = nbat->XFormat;
 727     }
 728     else
 729     {
 730         nbat->XFormat = nbatXYZQ;
 731         nbat->FFormat = nbatXYZ;
 732     }
 733     nbat->q        = NULL;
 734     nbat->nenergrp = n_energygroups;
 735     if (!simple)
 736     {
 737         /* Energy groups not supported yet for super-sub lists */
 738         if (n_energygroups > 1 && fp != NULL)
 739         {
 740             fprintf(fp, "\nNOTE: With GPUs, reporting energy group contributions is not supported\n\n");
 741         }
 742         nbat->nenergrp = 1;
 743     }
 744     /* Temporary storage goes as #grp^3*simd_width^2/2, so limit to 64 */
 745     if (nbat->nenergrp > 64)
 746     {
 747         gmx_fatal(FARGS, "With NxN kernels not more than 64 energy groups are supported\n");
 748     }
 749     nbat->neg_2log = 1;
 750     while (nbat->nenergrp > (1<<nbat->neg_2log))
 751     {
 752         nbat->neg_2log++;
 753     }
 754     nbat->energrp = NULL;
 755     nbat->alloc((void **)&nbat->shift_vec, SHIFTS*sizeof(*nbat->shift_vec));
 756     nbat->xstride = (nbat->XFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 757     nbat->fstride = (nbat->FFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 758     nbat->x       = NULL;
 759
 760 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 761     if (simple)
 762     {
 763         nbnxn_atomdata_init_simple_exclusion_masks(nbat);
 764     }
 765 #endif
 766
 767     /* Initialize the output data structures */
 768     nbat->nout    = nout;
 769     snew(nbat->out, nbat->nout);
 770     nbat->nalloc  = 0;
 771     for (i = 0; i < nbat->nout; i++)
 772     {
 773         nbnxn_atomdata_output_init(&nbat->out[i],
 774                                    nb_kernel_type,
 775                                    nbat->nenergrp, 1<<nbat->neg_2log,
 776                                    nbat->alloc);
 777     }
 778     nbat->buffer_flags.flag        = NULL;
 779     nbat->buffer_flags.flag_nalloc = 0;
 780
 781     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
 782
 783     ptr = getenv("GMX_USE_TREEREDUCE");
 784     if (ptr != NULL)
 785     {
 786         nbat->bUseTreeReduce = strtol(ptr, 0, 10);
 787     }
 788 #if defined __MIC__
 789     else if (nth > 8) /*on the CPU we currently don't benefit even at 32*/
 790     {
 791         nbat->bUseTreeReduce = 1;
 792     }
 793 #endif
 794     else
 795     {
 796         nbat->bUseTreeReduce = 0;
 797     }
 798     if (nbat->bUseTreeReduce)
 799     {
 800         if (fp)
 801         {
 802             fprintf(fp, "Using tree force reduction\n\n");
 803         }
 804         snew(nbat->syncStep, nth);
 805     }
 806 }
 807
 808 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(const real *ljparam_type,
 809                                        const int *type, int na,
 810                                        real *ljparam_at)
 811 {
 812     int is, k, i;
 813
 814     /* The LJ params follow the combination rule:
 815      * copy the params for the type array to the atom array.
 816      */
 817     for (is = 0; is < na; is += PACK_X4)
 818     {
 819         for (k = 0; k < PACK_X4; k++)
 820         {
 821             i = is + k;
 822             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 823             ljparam_at[is*2+PACK_X4+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 824         }
 825     }
 826 }
 827
 828 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(const real *ljparam_type,
 829                                        const int *type, int na,
 830                                        real *ljparam_at)
 831 {
 832     int is, k, i;
 833
 834     /* The LJ params follow the combination rule:
 835      * copy the params for the type array to the atom array.
 836      */
 837     for (is = 0; is < na; is += PACK_X8)
 838     {
 839         for (k = 0; k < PACK_X8; k++)
 840         {
 841             i = is + k;
 842             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 843             ljparam_at[is*2+PACK_X8+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 844         }
 845     }
 846 }
 847
 848 /* Sets the atom type and LJ data in nbnxn_atomdata_t */
 849 static void nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 850                                          int                  ngrid,
 851                                          const nbnxn_search_t nbs,
 852                                          const int           *type)
 853 {
 854     int                 g, i, ncz, ash;
 855     const nbnxn_grid_t *grid;
 856
 857     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 858     {
 859         grid = &nbs->grid[g];
 860
 861         /* Loop over all columns and copy and fill */
 862         for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 863         {
 864             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 865             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 866
 867             copy_int_to_nbat_int(nbs->a+ash, grid->cxy_na[i], ncz*grid->na_sc,
 868                                  type, nbat->ntype-1, nbat->type+ash);
 869
 870             if (nbat->comb_rule != ljcrNONE)
 871             {
 872                 if (nbat->XFormat == nbatX4)
 873                 {
 874                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(nbat->nbfp_comb,
 875                                                nbat->type+ash, ncz*grid->na_sc,
 876                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 877                 }
 878                 else if (nbat->XFormat == nbatX8)
 879                 {
 880                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(nbat->nbfp_comb,
 881                                                nbat->type+ash, ncz*grid->na_sc,
 882                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 883                 }
 884             }
 885         }
 886     }
 887 }
 888
 889 /* Sets the charges in nbnxn_atomdata_t *nbat */
 890 static void nbnxn_atomdata_set_charges(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 891                                        int                  ngrid,
 892                                        const nbnxn_search_t nbs,
 893                                        const real          *charge)
 894 {
 895     int                 g, cxy, ncz, ash, na, na_round, i, j;
 896     real               *q;
 897     const nbnxn_grid_t *grid;
 898
 899     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 900     {
 901         grid = &nbs->grid[g];
 902
 903         /* Loop over all columns and copy and fill */
 904         for (cxy = 0; cxy < grid->ncx*grid->ncy; cxy++)
 905         {
 906             ash      = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 907             na       = grid->cxy_na[cxy];
 908             na_round = (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 909
 910             if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 911             {
 912                 q = nbat->x + ash*STRIDE_XYZQ + ZZ + 1;
 913                 for (i = 0; i < na; i++)
 914                 {
 915                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 916                     q += STRIDE_XYZQ;
 917                 }
 918                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 919                 for (; i < na_round; i++)
 920                 {
 921                     *q = 0;
 922                     q += STRIDE_XYZQ;
 923                 }
 924             }
 925             else
 926             {
 927                 q = nbat->q + ash;
 928                 for (i = 0; i < na; i++)
 929                 {
 930                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 931                     q++;
 932                 }
 933                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 934                 for (; i < na_round; i++)
 935                 {
 936                     *q = 0;
 937                     q++;
 938                 }
 939             }
 940         }
 941     }
 942 }
 943
 944 /* Set the charges of perturbed atoms in nbnxn_atomdata_t to 0.
 945  * This is to automatically remove the RF/PME self term in the nbnxn kernels.
 946  * Part of the zero interactions are still calculated in the normal kernels.
 947  * All perturbed interactions are calculated in the free energy kernel,
 948  * using the original charge and LJ data, not nbnxn_atomdata_t.
 949  */
 950 static void nbnxn_atomdata_mask_fep(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 951                                     int                  ngrid,
 952                                     const nbnxn_search_t nbs)
 953 {
 954     real               *q;
 955     int                 stride_q, g, nsubc, c_offset, c, subc, i, ind;
 956     const nbnxn_grid_t *grid;
 957
 958     if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 959     {
 960         q        = nbat->x + ZZ + 1;
 961         stride_q = STRIDE_XYZQ;
 962     }
 963     else
 964     {
 965         q        = nbat->q;
 966         stride_q = 1;
 967     }
 968
 969     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 970     {
 971         grid = &nbs->grid[g];
 972         if (grid->bSimple)
 973         {
 974             nsubc = 1;
 975         }
 976         else
 977         {
 978             nsubc = GPU_NSUBCELL;
 979         }
 980
 981         c_offset = grid->cell0*grid->na_sc;
 982
 983         /* Loop over all columns and copy and fill */
 984         for (c = 0; c < grid->nc*nsubc; c++)
 985         {
 986             /* Does this cluster contain perturbed particles? */
 987             if (grid->fep[c] != 0)
 988             {
 989                 for (i = 0; i < grid->na_c; i++)
 990                 {
 991                     /* Is this a perturbed particle? */
 992                     if (grid->fep[c] & (1 << i))
 993                     {
 994                         ind = c_offset + c*grid->na_c + i;
 995                         /* Set atom type and charge to non-interacting */
 996                         nbat->type[ind] = nbat->ntype - 1;
 997                         q[ind*stride_q] = 0;
 998                     }
 999                 }
1000             }
1001         }
1002     }
1003 }
1004
1005 /* Copies the energy group indices to a reordered and packed array */
1006 static void copy_egp_to_nbat_egps(const int *a, int na, int na_round,
1007                                   int na_c, int bit_shift,
1008                                   const int *in, int *innb)
1009 {
1010     int i, j, sa, at;
1011     int comb;
1012
1013     j = 0;
1014     for (i = 0; i < na; i += na_c)
1015     {
1016         /* Store na_c energy group numbers into one int */
1017         comb = 0;
1018         for (sa = 0; sa < na_c; sa++)
1019         {
1020             at = a[i+sa];
1021             if (at >= 0)
1022             {
1023                 comb |= (GET_CGINFO_GID(in[at]) << (sa*bit_shift));
1024             }
1025         }
1026         innb[j++] = comb;
1027     }
1028     /* Complete the partially filled last cell with fill */
1029     for (; i < na_round; i += na_c)
1030     {
1031         innb[j++] = 0;
1032     }
1033 }
1034
1035 /* Set the energy group indices for atoms in nbnxn_atomdata_t */
1036 static void nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
1037                                             int                  ngrid,
1038                                             const nbnxn_search_t nbs,
1039                                             const int           *atinfo)
1040 {
1041     int                 g, i, ncz, ash;
1042     const nbnxn_grid_t *grid;
1043
1044     if (nbat->nenergrp == 1)
1045     {
1046         return;
1047     }
1048
1049     for (g = 0; g < ngrid; g++)
1050     {
1051         grid = &nbs->grid[g];
1052
1053         /* Loop over all columns and copy and fill */
1054         for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
1055         {
1056             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
1057             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
1058
1059             copy_egp_to_nbat_egps(nbs->a+ash, grid->cxy_na[i], ncz*grid->na_sc,
1060                                   nbat->na_c, nbat->neg_2log,
1061                                   atinfo, nbat->energrp+(ash>>grid->na_c_2log));
1062         }
1063     }
1064 }
1065
1066 /* Sets all required atom parameter data in nbnxn_atomdata_t */
1067 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
1068                         int                  locality,
1069                         const nbnxn_search_t nbs,
1070                         const t_mdatoms     *mdatoms,
1071                         const int           *atinfo)
1072 {
1073     int ngrid;
1074
1075     if (locality == eatLocal)
1076     {
1077         ngrid = 1;
1078     }
1079     else
1080     {
1081         ngrid = nbs->ngrid;
1082     }
1083
1084     nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbat, ngrid, nbs, mdatoms->typeA);
1085
1086     nbnxn_atomdata_set_charges(nbat, ngrid, nbs, mdatoms->chargeA);
1087
1088     if (nbs->bFEP)
1089     {
1090         nbnxn_atomdata_mask_fep(nbat, ngrid, nbs);
1091     }
1092
1093     nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbat, ngrid, nbs, atinfo);
1094 }
1095
1096 /* Copies the shift vector array to nbnxn_atomdata_t */
1097 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool          bDynamicBox,
1098                                   rvec             *shift_vec,
1099                                   nbnxn_atomdata_t *nbat)
1100 {
1101     int i;
1102
1103     nbat->bDynamicBox = bDynamicBox;
1104     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
1105     {
1106         copy_rvec(shift_vec[i], nbat->shift_vec[i]);
1107     }
1108 }
1109
1110 /* Copies (and reorders) the coordinates to nbnxn_atomdata_t */
1111 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const nbnxn_search_t nbs,
1112                                      int                  locality,
1113                                      gmx_bool             FillLocal,
1114                                      rvec                *x,
1115                                      nbnxn_atomdata_t    *nbat)
1116 {
1117     int g0 = 0, g1 = 0;
1118     int nth, th;
1119
1120     switch (locality)
1121     {
1122         case eatAll:
1123             g0 = 0;
1124             g1 = nbs->ngrid;
1125             break;
1126         case eatLocal:
1127             g0 = 0;
1128             g1 = 1;
1129             break;
1130         case eatNonlocal:
1131             g0 = 1;
1132             g1 = nbs->ngrid;
1133             break;
1134     }
1135
1136     if (FillLocal)
1137     {
1138         nbat->natoms_local = nbs->grid[0].nc*nbs->grid[0].na_sc;
1139     }
1140
1141     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1142
1143 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1144     for (th = 0; th < nth; th++)
1145     {
1146         int g;
1147
1148         for (g = g0; g < g1; g++)
1149         {
1150             const nbnxn_grid_t *grid;
1151             int                 cxy0, cxy1, cxy;
1152
1153             grid = &nbs->grid[g];
1154
1155             cxy0 = (grid->ncx*grid->ncy* th   +nth-1)/nth;
1156             cxy1 = (grid->ncx*grid->ncy*(th+1)+nth-1)/nth;
1157
1158             for (cxy = cxy0; cxy < cxy1; cxy++)
1159             {
1160                 int na, ash, na_fill;
1161
1162                 na  = grid->cxy_na[cxy];
1163                 ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1164
1165                 if (g == 0 && FillLocal)
1166                 {
1167                     na_fill =
1168                         (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1169                 }
1170                 else
1171                 {
1172                     /* We fill only the real particle locations.
1173                      * We assume the filling entries at the end have been
1174                      * properly set before during ns.
1175                      */
1176                     na_fill = na;
1177                 }
1178                 copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+ash, na, na_fill, x,
1179                                        nbat->XFormat, nbat->x, ash,
1180                                        0, 0, 0);
1181             }
1182         }
1183     }
1184 }
1185
1186 static void
1187 nbnxn_atomdata_clear_reals(real * gmx_restrict dest,
1188                            int i0, int i1)
1189 {
1190     int i;
1191
1192     for (i = i0; i < i1; i++)
1193     {
1194         dest[i] = 0;
1195     }
1196 }
1197
1198 static void
1199 nbnxn_atomdata_reduce_reals(real * gmx_restrict dest,
1200                             gmx_bool bDestSet,
1201                             real ** gmx_restrict src,
1202                             int nsrc,
1203                             int i0, int i1)
1204 {
1205     int i, s;
1206
1207     if (bDestSet)
1208     {
1209         /* The destination buffer contains data, add to it */
1210         for (i = i0; i < i1; i++)
1211         {
1212             for (s = 0; s < nsrc; s++)
1213             {
1214                 dest[i] += src[s][i];
1215             }
1216         }
1217     }
1218     else
1219     {
1220         /* The destination buffer is unitialized, set it first */
1221         for (i = i0; i < i1; i++)
1222         {
1223             dest[i] = src[0][i];
1224             for (s = 1; s < nsrc; s++)
1225             {
1226                 dest[i] += src[s][i];
1227             }
1228         }
1229     }
1230 }
1231
1232 static void
1233 nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd(real gmx_unused * gmx_restrict dest,
1234                                  gmx_bool gmx_unused bDestSet,
1235                                  real gmx_unused ** gmx_restrict src,
1236                                  int gmx_unused nsrc,
1237                                  int gmx_unused i0, int gmx_unused i1)
1238 {
1239 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1240 /* The SIMD width here is actually independent of that in the kernels,
1241  * but we use the same width for simplicity (usually optimal anyhow).
1242  */
1243     int             i, s;
1244     gmx_simd_real_t dest_SSE, src_SSE;
1245
1246     if (bDestSet)
1247     {
1248         for (i = i0; i < i1; i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1249         {
1250             dest_SSE = gmx_simd_load_r(dest+i);
1251             for (s = 0; s < nsrc; s++)
1252             {
1253                 src_SSE  = gmx_simd_load_r(src[s]+i);
1254                 dest_SSE = gmx_simd_add_r(dest_SSE, src_SSE);
1255             }
1256             gmx_simd_store_r(dest+i, dest_SSE);
1257         }
1258     }
1259     else
1260     {
1261         for (i = i0; i < i1; i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1262         {
1263             dest_SSE = gmx_simd_load_r(src[0]+i);
1264             for (s = 1; s < nsrc; s++)
1265             {
1266                 src_SSE  = gmx_simd_load_r(src[s]+i);
1267                 dest_SSE = gmx_simd_add_r(dest_SSE, src_SSE);
1268             }
1269             gmx_simd_store_r(dest+i, dest_SSE);
1270         }
1271     }
1272 #endif
1273 }
1274
1275 /* Add part of the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1276 static void
1277 nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(const nbnxn_search_t nbs,
1278                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1279                                     nbnxn_atomdata_output_t *out,
1280                                     int nfa,
1281                                     int a0, int a1,
1282                                     rvec *f)
1283 {
1284     int         a, i, fa;
1285     const int  *cell;
1286     const real *fnb;
1287
1288     cell = nbs->cell;
1289
1290     /* Loop over all columns and copy and fill */
1291     switch (nbat->FFormat)
1292     {
1293         case nbatXYZ:
1294         case nbatXYZQ:
1295             if (nfa == 1)
1296             {
1297                 fnb = out[0].f;
1298
1299                 for (a = a0; a < a1; a++)
1300                 {
1301                     i = cell[a]*nbat->fstride;
1302
1303                     f[a][XX] += fnb[i];
1304                     f[a][YY] += fnb[i+1];
1305                     f[a][ZZ] += fnb[i+2];
1306                 }
1307             }
1308             else
1309             {
1310                 for (a = a0; a < a1; a++)
1311                 {
1312                     i = cell[a]*nbat->fstride;
1313
1314                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1315                     {
1316                         f[a][XX] += out[fa].f[i];
1317                         f[a][YY] += out[fa].f[i+1];
1318                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+2];
1319                     }
1320                 }
1321             }
1322             break;
1323         case nbatX4:
1324             if (nfa == 1)
1325             {
1326                 fnb = out[0].f;
1327
1328                 for (a = a0; a < a1; a++)
1329                 {
1330                     i = X4_IND_A(cell[a]);
1331
1332                     f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X4];
1333                     f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X4];
1334                     f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X4];
1335                 }
1336             }
1337             else
1338             {
1339                 for (a = a0; a < a1; a++)
1340                 {
1341                     i = X4_IND_A(cell[a]);
1342
1343                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1344                     {
1345                         f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X4];
1346                         f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X4];
1347                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X4];
1348                     }
1349                 }
1350             }
1351             break;
1352         case nbatX8:
1353             if (nfa == 1)
1354             {
1355                 fnb = out[0].f;
1356
1357                 for (a = a0; a < a1; a++)
1358                 {
1359                     i = X8_IND_A(cell[a]);
1360
1361                     f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X8];
1362                     f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X8];
1363                     f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X8];
1364                 }
1365             }
1366             else
1367             {
1368                 for (a = a0; a < a1; a++)
1369                 {
1370                     i = X8_IND_A(cell[a]);
1371
1372                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1373                     {
1374                         f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X8];
1375                         f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X8];
1376                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X8];
1377                     }
1378                 }
1379             }
1380             break;
1381         default:
1382             gmx_incons("Unsupported nbnxn_atomdata_t format");
1383     }
1384 }
1385
1386 static gmx_inline unsigned char reverse_bits(unsigned char b)
1387 {
1388     /* http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#ReverseByteWith64BitsDiv */
1389     return (b * 0x0202020202ULL & 0x010884422010ULL) % 1023;
1390 }
1391
1392 static void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_treereduce(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1393                                                       int                     nth)
1394 {
1395     const nbnxn_buffer_flags_t *flags = &nbat->buffer_flags;
1396
1397     int next_pow2 = 1<<(gmx_log2i(nth-1)+1);
1398
1399     assert(nbat->nout == nth); /* tree-reduce currently only works for nout==nth */
1400
1401     memset(nbat->syncStep, 0, sizeof(*(nbat->syncStep))*nth);
1402
1403 #pragma omp parallel num_threads(nth)
1404     {
1405         int   b0, b1, b;
1406         int   i0, i1;
1407         int   group_size, th;
1408
1409         th = gmx_omp_get_thread_num();
1410
1411         for (group_size = 2; group_size < 2*next_pow2; group_size *= 2)
1412         {
1413             int index[2], group_pos, partner_pos, wu;
1414             int partner_th = th ^ (group_size/2);
1415
1416             if (group_size > 2)
1417             {
1418 #ifdef TMPI_ATOMICS
1419                 /* wait on partner thread - replaces full barrier */
1420                 int sync_th, sync_group_size;
1421
1422                 tMPI_Atomic_memory_barrier();                         /* gurantee data is saved before marking work as done */
1423                 tMPI_Atomic_set(&(nbat->syncStep[th]), group_size/2); /* mark previous step as completed */
1424
1425                 /* find thread to sync with. Equal to partner_th unless nth is not a power of two. */
1426                 for (sync_th = partner_th, sync_group_size = group_size; sync_th >= nth && sync_group_size > 2; sync_group_size /= 2)
1427                 {
1428                     sync_th &= ~(sync_group_size/4);
1429                 }
1430                 if (sync_th < nth) /* otherwise nothing to sync index[1] will be >=nout */
1431                 {
1432                     /* wait on the thread which computed input data in previous step */
1433                     while (tMPI_Atomic_get((volatile tMPI_Atomic_t*)&(nbat->syncStep[sync_th])) < group_size/2)
1434                     {
1435                         gmx_pause();
1436                     }
1437                     /* guarantee that no later load happens before wait loop is finisehd */
1438                     tMPI_Atomic_memory_barrier();
1439                 }
1440 #else           /* TMPI_ATOMICS */
1441 #pragma omp barrier
1442 #endif
1443             }
1444
1445             /* Calculate buffers to sum (result goes into first buffer) */
1446             group_pos = th % group_size;
1447             index[0]  = th - group_pos;
1448             index[1]  = index[0] + group_size/2;
1449
1450             /* If no second buffer, nothing to do */
1451             if (index[1] >= nbat->nout && group_size > 2)
1452             {
1453                 continue;
1454             }
1455
1456 #if NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS > 256
1457 #error reverse_bits assumes max 256 threads
1458 #endif
1459             /* Position is permuted so that one of the 2 vectors being added was computed on the same thread in the previous step.
1460                This improves locality and enables to sync with just a single thread between steps (=the levels in the btree).
1461                The permutation which allows this corresponds to reversing the bits of the group position.
1462              */
1463             group_pos = reverse_bits(group_pos)/(256/group_size);
1464
1465             partner_pos = group_pos ^ 1;
1466
1467             /* loop over two work-units (own and partner) */
1468             for (wu = 0; wu < 2; wu++)
1469             {
1470                 if (wu == 1)
1471                 {
1472                     if (partner_th < nth)
1473                     {
1474                         break; /* partner exists we don't have to do his work */
1475                     }
1476                     else
1477                     {
1478                         group_pos = partner_pos;
1479                     }
1480                 }
1481
1482                 /* Calculate the cell-block range for our thread */
1483                 b0 = (flags->nflag* group_pos   )/group_size;
1484                 b1 = (flags->nflag*(group_pos+1))/group_size;
1485
1486                 for (b = b0; b < b1; b++)
1487                 {
1488                     i0 =  b   *NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1489                     i1 = (b+1)*NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1490
1491                     if ((flags->flag[b] & (1ULL<<index[1])) || group_size > 2)
1492                     {
1493 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1494                         nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd
1495 #else
1496                         nbnxn_atomdata_reduce_reals
1497 #endif
1498                             (nbat->out[index[0]].f,
1499                             (flags->flag[b] & (1ULL<<index[0])) || group_size > 2,
1500                             &(nbat->out[index[1]].f), 1, i0, i1);
1501
1502                     }
1503                     else if (!(flags->flag[b] & (1ULL<<index[0])))
1504                     {
1505                         nbnxn_atomdata_clear_reals(nbat->out[index[0]].f,
1506                                                    i0, i1);
1507                     }
1508                 }
1509             }
1510         }
1511     }
1512 }
1513
1514
1515 static void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_stdreduce(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1516                                                      int                     nth)
1517 {
1518     int th;
1519 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1520     for (th = 0; th < nth; th++)
1521     {
1522         const nbnxn_buffer_flags_t *flags;
1523         int   b0, b1, b;
1524         int   i0, i1;
1525         int   nfptr;
1526         real *fptr[NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS];
1527         int   out;
1528
1529         flags = &nbat->buffer_flags;
1530
1531         /* Calculate the cell-block range for our thread */
1532         b0 = (flags->nflag* th   )/nth;
1533         b1 = (flags->nflag*(th+1))/nth;
1534
1535         for (b = b0; b < b1; b++)
1536         {
1537             i0 =  b   *NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1538             i1 = (b+1)*NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1539
1540             nfptr = 0;
1541             for (out = 1; out < nbat->nout; out++)
1542             {
1543                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
1544                 {
1545                     fptr[nfptr++] = nbat->out[out].f;
1546                 }
1547             }
1548             if (nfptr > 0)
1549             {
1550 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1551                 nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd
1552 #else
1553                 nbnxn_atomdata_reduce_reals
1554 #endif
1555                     (nbat->out[0].f,
1556                     flags->flag[b] & (1U<<0),
1557                     fptr, nfptr,
1558                     i0, i1);
1559             }
1560             else if (!(flags->flag[b] & (1U<<0)))
1561             {
1562                 nbnxn_atomdata_clear_reals(nbat->out[0].f,
1563                                            i0, i1);
1564             }
1565         }
1566     }
1567 }
1568
1569 /* Add the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1570 void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f(const nbnxn_search_t    nbs,
1571                                     int                     locality,
1572                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1573                                     rvec                   *f)
1574 {
1575     int a0 = 0, na = 0;
1576     int nth, th;
1577
1578     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1579
1580     switch (locality)
1581     {
1582         case eatAll:
1583             a0 = 0;
1584             na = nbs->natoms_nonlocal;
1585             break;
1586         case eatLocal:
1587             a0 = 0;
1588             na = nbs->natoms_local;
1589             break;
1590         case eatNonlocal:
1591             a0 = nbs->natoms_local;
1592             na = nbs->natoms_nonlocal - nbs->natoms_local;
1593             break;
1594     }
1595
1596     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
1597
1598     if (nbat->nout > 1)
1599     {
1600         if (locality != eatAll)
1601         {
1602             gmx_incons("add_f_to_f called with nout>1 and locality!=eatAll");
1603         }
1604
1605         /* Reduce the force thread output buffers into buffer 0, before adding
1606          * them to the, differently ordered, "real" force buffer.
1607          */
1608         if (nbat->bUseTreeReduce)
1609         {
1610             nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_treereduce(nbat, nth);
1611         }
1612         else
1613         {
1614             nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_stdreduce(nbat, nth);
1615         }
1616     }
1617 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1618     for (th = 0; th < nth; th++)
1619     {
1620         nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(nbs, nbat,
1621                                             nbat->out,
1622                                             1,
1623                                             a0+((th+0)*na)/nth,
1624                                             a0+((th+1)*na)/nth,
1625                                             f);
1626     }
1627
1628     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1629 }
1630
1631 /* Adds the shift forces from nbnxn_atomdata_t to fshift */
1632 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1633                                               rvec                   *fshift)
1634 {
1635     const nbnxn_atomdata_output_t *out;
1636     int  th;
1637     int  s;
1638     rvec sum;
1639
1640     out = nbat->out;
1641
1642     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
1643     {
1644         clear_rvec(sum);
1645         for (th = 0; th < nbat->nout; th++)
1646         {
1647             sum[XX] += out[th].fshift[s*DIM+XX];
1648             sum[YY] += out[th].fshift[s*DIM+YY];
1649             sum[ZZ] += out[th].fshift[s*DIM+ZZ];
1650         }
1651         rvec_inc(fshift[s], sum);
1652     }
1653 }