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 <assert.h>
  41 #include <math.h>
  42 #include <stdlib.h>
  43 #include <string.h>
  44
  45 #include "macros.h"
  46 #include "gromacs/math/vec.h"
  47 #include "nbnxn_consts.h"
  48 #include "nbnxn_internal.h"
  49 #include "nbnxn_atomdata.h"
  50 #include "nbnxn_search.h"
  51 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  52 #include "thread_mpi/atomic.h"
  53
  54 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  55 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  56
  57 /* Default nbnxn allocation routine, allocates NBNXN_MEM_ALIGN byte aligned */
  58 void nbnxn_alloc_aligned(void **ptr, size_t nbytes)
  59 {
  60     *ptr = save_malloc_aligned("ptr", __FILE__, __LINE__, nbytes, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
  61 }
  62
  63 /* Free function for memory allocated with nbnxn_alloc_aligned */
  64 void nbnxn_free_aligned(void *ptr)
  65 {
  66     sfree_aligned(ptr);
  67 }
  68
  69 /* Reallocation wrapper function for nbnxn data structures */
  70 void nbnxn_realloc_void(void **ptr,
  71                         int nbytes_copy, int nbytes_new,
  72                         nbnxn_alloc_t *ma,
  73                         nbnxn_free_t  *mf)
  74 {
  75     void *ptr_new;
  76
  77     ma(&ptr_new, nbytes_new);
  78
  79     if (nbytes_new > 0 && ptr_new == NULL)
  80     {
  81         gmx_fatal(FARGS, "Allocation of %d bytes failed", nbytes_new);
  82     }
  83
  84     if (nbytes_copy > 0)
  85     {
  86         if (nbytes_new < nbytes_copy)
  87         {
  88             gmx_incons("In nbnxn_realloc_void: new size less than copy size");
  89         }
  90         memcpy(ptr_new, *ptr, nbytes_copy);
  91     }
  92     if (*ptr != NULL)
  93     {
  94         mf(*ptr);
  95     }
  96     *ptr = ptr_new;
  97 }
  98
  99 /* Reallocate the nbnxn_atomdata_t for a size of n atoms */
 100 void nbnxn_atomdata_realloc(nbnxn_atomdata_t *nbat, int n)
 101 {
 102     int t;
 103
 104     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->type,
 105                        nbat->natoms*sizeof(*nbat->type),
 106                        n*sizeof(*nbat->type),
 107                        nbat->alloc, nbat->free);
 108     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->lj_comb,
 109                        nbat->natoms*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 110                        n*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 111                        nbat->alloc, nbat->free);
 112     if (nbat->XFormat != nbatXYZQ)
 113     {
 114         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->q,
 115                            nbat->natoms*sizeof(*nbat->q),
 116                            n*sizeof(*nbat->q),
 117                            nbat->alloc, nbat->free);
 118     }
 119     if (nbat->nenergrp > 1)
 120     {
 121         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->energrp,
 122                            nbat->natoms/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 123                            n/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 124                            nbat->alloc, nbat->free);
 125     }
 126     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->x,
 127                        nbat->natoms*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 128                        n*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 129                        nbat->alloc, nbat->free);
 130     for (t = 0; t < nbat->nout; t++)
 131     {
 132         /* Allocate one element extra for possible signaling with CUDA */
 133         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->out[t].f,
 134                            nbat->natoms*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 135                            n*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 136                            nbat->alloc, nbat->free);
 137     }
 138     nbat->nalloc = n;
 139 }
 140
 141 /* Initializes an nbnxn_atomdata_output_t data structure */
 142 static void nbnxn_atomdata_output_init(nbnxn_atomdata_output_t *out,
 143                                        int nb_kernel_type,
 144                                        int nenergrp, int stride,
 145                                        nbnxn_alloc_t *ma)
 146 {
 147     int cj_size;
 148
 149     out->f = NULL;
 150     ma((void **)&out->fshift, SHIFTS*DIM*sizeof(*out->fshift));
 151     out->nV = nenergrp*nenergrp;
 152     ma((void **)&out->Vvdw, out->nV*sizeof(*out->Vvdw));
 153     ma((void **)&out->Vc, out->nV*sizeof(*out->Vc  ));
 154
 155     if (nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_4xN ||
 156         nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_2xNN)
 157     {
 158         cj_size  = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
 159         out->nVS = nenergrp*nenergrp*stride*(cj_size>>1)*cj_size;
 160         ma((void **)&out->VSvdw, out->nVS*sizeof(*out->VSvdw));
 161         ma((void **)&out->VSc, out->nVS*sizeof(*out->VSc  ));
 162     }
 163     else
 164     {
 165         out->nVS = 0;
 166     }
 167 }
 168
 169 static void copy_int_to_nbat_int(const int *a, int na, int na_round,
 170                                  const int *in, int fill, int *innb)
 171 {
 172     int i, j;
 173
 174     j = 0;
 175     for (i = 0; i < na; i++)
 176     {
 177         innb[j++] = in[a[i]];
 178     }
 179     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 180     for (; i < na_round; i++)
 181     {
 182         innb[j++] = fill;
 183     }
 184 }
 185
 186 static void clear_nbat_real(int na, int nbatFormat, real *xnb, int a0)
 187 {
 188     int a, d, j, c;
 189
 190     switch (nbatFormat)
 191     {
 192         case nbatXYZ:
 193             for (a = 0; a < na; a++)
 194             {
 195                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 196                 {
 197                     xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZ+d] = 0;
 198                 }
 199             }
 200             break;
 201         case nbatXYZQ:
 202             for (a = 0; a < na; a++)
 203             {
 204                 for (d = 0; d < DIM; d++)
 205                 {
 206                     xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZQ+d] = 0;
 207                 }
 208             }
 209             break;
 210         case nbatX4:
 211             j = X4_IND_A(a0);
 212             c = a0 & (PACK_X4-1);
 213             for (a = 0; a < na; a++)
 214             {
 215                 xnb[j+XX*PACK_X4] = 0;
 216                 xnb[j+YY*PACK_X4] = 0;
 217                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = 0;
 218                 j++;
 219                 c++;
 220                 if (c == PACK_X4)
 221                 {
 222                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 223                     c  = 0;
 224                 }
 225             }
 226             break;
 227         case nbatX8:
 228             j = X8_IND_A(a0);
 229             c = a0 & (PACK_X8-1);
 230             for (a = 0; a < na; a++)
 231             {
 232                 xnb[j+XX*PACK_X8] = 0;
 233                 xnb[j+YY*PACK_X8] = 0;
 234                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = 0;
 235                 j++;
 236                 c++;
 237                 if (c == PACK_X8)
 238                 {
 239                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 240                     c  = 0;
 241                 }
 242             }
 243             break;
 244     }
 245 }
 246
 247 void copy_rvec_to_nbat_real(const int *a, int na, int na_round,
 248                             rvec *x, int nbatFormat, real *xnb, int a0,
 249                             int cx, int cy, int cz)
 250 {
 251     int i, j, c;
 252
 253 /* We might need to place filler particles to fill up the cell to na_round.
 254  * The coefficients (LJ and q) for such particles are zero.
 255  * But we might still get NaN as 0*NaN when distances are too small.
 256  * We hope that -107 nm is far away enough from to zero
 257  * to avoid accidental short distances to particles shifted down for pbc.
 258  */
 259 #define NBAT_FAR_AWAY 107
 260
 261     switch (nbatFormat)
 262     {
 263         case nbatXYZ:
 264             j = a0*STRIDE_XYZ;
 265             for (i = 0; i < na; i++)
 266             {
 267                 xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 268                 xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 269                 xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 270             }
 271             /* Complete the partially filled last cell with copies of the last element.
 272              * This simplifies the bounding box calculation and avoid
 273              * numerical issues with atoms that are coincidentally close.
 274              */
 275             for (; i < na_round; i++)
 276             {
 277                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 278                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 279                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 280             }
 281             break;
 282         case nbatXYZQ:
 283             j = a0*STRIDE_XYZQ;
 284             for (i = 0; i < na; i++)
 285             {
 286                 xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 287                 xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 288                 xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 289                 j++;
 290             }
 291             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 292             for (; i < na_round; i++)
 293             {
 294                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 295                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 296                 xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 297                 j++;
 298             }
 299             break;
 300         case nbatX4:
 301             j = X4_IND_A(a0);
 302             c = a0 & (PACK_X4-1);
 303             for (i = 0; i < na; i++)
 304             {
 305                 xnb[j+XX*PACK_X4] = x[a[i]][XX];
 306                 xnb[j+YY*PACK_X4] = x[a[i]][YY];
 307                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = x[a[i]][ZZ];
 308                 j++;
 309                 c++;
 310                 if (c == PACK_X4)
 311                 {
 312                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 313                     c  = 0;
 314                 }
 315             }
 316             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 317             for (; i < na_round; i++)
 318             {
 319                 xnb[j+XX*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 320                 xnb[j+YY*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 321                 xnb[j+ZZ*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 322                 j++;
 323                 c++;
 324                 if (c == PACK_X4)
 325                 {
 326                     j += (DIM-1)*PACK_X4;
 327                     c  = 0;
 328                 }
 329             }
 330             break;
 331         case nbatX8:
 332             j = X8_IND_A(a0);
 333             c = a0 & (PACK_X8 - 1);
 334             for (i = 0; i < na; i++)
 335             {
 336                 xnb[j+XX*PACK_X8] = x[a[i]][XX];
 337                 xnb[j+YY*PACK_X8] = x[a[i]][YY];
 338                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = x[a[i]][ZZ];
 339                 j++;
 340                 c++;
 341                 if (c == PACK_X8)
 342                 {
 343                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 344                     c  = 0;
 345                 }
 346             }
 347             /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 348             for (; i < na_round; i++)
 349             {
 350                 xnb[j+XX*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 351                 xnb[j+YY*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 352                 xnb[j+ZZ*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 353                 j++;
 354                 c++;
 355                 if (c == PACK_X8)
 356                 {
 357                     j += (DIM-1)*PACK_X8;
 358                     c  = 0;
 359                 }
 360             }
 361             break;
 362         default:
 363             gmx_incons("Unsupported nbnxn_atomdata_t format");
 364     }
 365 }
 366
 367 /* Stores the LJ parameter data in a format convenient for different kernels */
 368 static void set_lj_parameter_data(nbnxn_atomdata_t *nbat, gmx_bool bSIMD)
 369 {
 370     int  nt, i, j;
 371     real c6, c12;
 372
 373     nt = nbat->ntype;
 374
 375     if (bSIMD)
 376     {
 377         /* nbfp_s4 stores two parameters using a stride of 4,
 378          * because this would suit x86 SIMD single-precision
 379          * quad-load intrinsics. There's a slight inefficiency in
 380          * allocating and initializing nbfp_s4 when it might not
 381          * be used, but introducing the conditional code is not
 382          * really worth it. */
 383         nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_s4, nt*nt*4*sizeof(*nbat->nbfp_s4));
 384         for (i = 0; i < nt; i++)
 385         {
 386             for (j = 0; j < nt; j++)
 387             {
 388                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+0] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+0];
 389                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+1] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+1];
 390                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+2] = 0;
 391                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+3] = 0;
 392             }
 393         }
 394     }
 395
 396     /* We use combination rule data for SIMD combination rule kernels
 397      * and with LJ-PME kernels. We then only need parameters per atom type,
 398      * not per pair of atom types.
 399      */
 400     switch (nbat->comb_rule)
 401     {
 402         case ljcrGEOM:
 403             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 404
 405             for (i = 0; i < nt; i++)
 406             {
 407                 /* Store the sqrt of the diagonal from the nbfp matrix */
 408                 nbat->nbfp_comb[i*2  ] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ]);
 409                 nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1]);
 410             }
 411             break;
 412         case ljcrLB:
 413             for (i = 0; i < nt; i++)
 414             {
 415                 /* Get 6*C6 and 12*C12 from the diagonal of the nbfp matrix */
 416                 c6  = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ];
 417                 c12 = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1];
 418                 if (c6 > 0 && c12 > 0)
 419                 {
 420                     /* We store 0.5*2^1/6*sigma and sqrt(4*3*eps),
 421                      * so we get 6*C6 and 12*C12 after combining.
 422                      */
 423                     nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0.5*pow(c12/c6, 1.0/6.0);
 424                     nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(c6*c6/c12);
 425                 }
 426                 else
 427                 {
 428                     nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 429                     nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 430                 }
 431             }
 432             break;
 433         case ljcrNONE:
 434             /* We always store the full matrix (see code above) */
 435             break;
 436         default:
 437             gmx_incons("Unknown combination rule");
 438             break;
 439     }
 440 }
 441
 442 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 443 static void
 444 nbnxn_atomdata_init_simple_exclusion_masks(nbnxn_atomdata_t *nbat)
 445 {
 446     int       i, j;
 447     const int simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 448     int       simd_excl_size;
 449     /* Set the diagonal cluster pair exclusion mask setup data.
 450      * In the kernel we check 0 < j - i to generate the masks.
 451      * Here we store j - i for generating the mask for the first i,
 452      * we substract 0.5 to avoid rounding issues.
 453      * In the kernel we can subtract 1 to generate the subsequent mask.
 454      */
 455     int        simd_4xn_diag_size;
 456     const real simdFalse = -1, simdTrue = 1;
 457     real      *simd_interaction_array;
 458
 459     simd_4xn_diag_size = max(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, simd_width);
 460     snew_aligned(nbat->simd_4xn_diagonal_j_minus_i, simd_4xn_diag_size, NBNXN_MEM_ALIGN);
 461     for (j = 0; j < simd_4xn_diag_size; j++)
 462     {
 463         nbat->simd_4xn_diagonal_j_minus_i[j] = j - 0.5;
 464     }
 465
 466     snew_aligned(nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i, simd_width, NBNXN_MEM_ALIGN);
 467     for (j = 0; j < simd_width/2; j++)
 468     {
 469         /* The j-cluster size is half the SIMD width */
 470         nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i[j]              = j - 0.5;
 471         /* The next half of the SIMD width is for i + 1 */
 472         nbat->simd_2xnn_diagonal_j_minus_i[simd_width/2+j] = j - 1 - 0.5;
 473     }
 474
 475     /* We use up to 32 bits for exclusion masking.
 476      * The same masks are used for the 4xN and 2x(N+N) kernels.
 477      * The masks are read either into epi32 SIMD registers or into
 478      * real SIMD registers (together with a cast).
 479      * In single precision this means the real and epi32 SIMD registers
 480      * are of equal size.
 481      * In double precision the epi32 registers can be smaller than
 482      * the real registers, so depending on the architecture, we might
 483      * need to use two, identical, 32-bit masks per real.
 484      */
 485     simd_excl_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*simd_width;
 486     snew_aligned(nbat->simd_exclusion_filter1, simd_excl_size,   NBNXN_MEM_ALIGN);
 487     snew_aligned(nbat->simd_exclusion_filter2, simd_excl_size*2, NBNXN_MEM_ALIGN);
 488
 489     for (j = 0; j < simd_excl_size; j++)
 490     {
 491         /* Set the consecutive bits for masking pair exclusions */
 492         nbat->simd_exclusion_filter1[j]       = (1U << j);
 493         nbat->simd_exclusion_filter2[j*2 + 0] = (1U << j);
 494         nbat->simd_exclusion_filter2[j*2 + 1] = (1U << j);
 495     }
 496
 497 #if (defined GMX_SIMD_IBM_QPX)
 498     /* The QPX kernels shouldn't do the bit masking that is done on
 499      * x86, because the SIMD units lack bit-wise operations. Instead,
 500      * we generate a vector of all 2^4 possible ways an i atom
 501      * interacts with its 4 j atoms. Each array entry contains
 502      * simd_width signed ints that are read in a single SIMD
 503      * load. These ints must contain values that will be interpreted
 504      * as true and false when loaded in the SIMD floating-point
 505      * registers, ie. any positive or any negative value,
 506      * respectively. Each array entry encodes how this i atom will
 507      * interact with the 4 j atoms. Matching code exists in
 508      * set_ci_top_excls() to generate indices into this array. Those
 509      * indices are used in the kernels. */
 510
 511     simd_excl_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 512     const int qpx_simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 513     snew_aligned(simd_interaction_array, simd_excl_size * qpx_simd_width, NBNXN_MEM_ALIGN);
 514     for (j = 0; j < simd_excl_size; j++)
 515     {
 516         int index = j * qpx_simd_width;
 517         for (i = 0; i < qpx_simd_width; i++)
 518         {
 519             simd_interaction_array[index + i] = (j & (1 << i)) ? simdTrue : simdFalse;
 520         }
 521     }
 522     nbat->simd_interaction_array = simd_interaction_array;
 523 #endif
 524 }
 525 #endif
 526
 527 /* Initializes an nbnxn_atomdata_t data structure */
 528 void nbnxn_atomdata_init(FILE *fp,
 529                          nbnxn_atomdata_t *nbat,
 530                          int nb_kernel_type,
 531                          int enbnxninitcombrule,
 532                          int ntype, const real *nbfp,
 533                          int n_energygroups,
 534                          int nout,
 535                          nbnxn_alloc_t *alloc,
 536                          nbnxn_free_t  *free)
 537 {
 538     int      i, j, nth;
 539     real     c6, c12, tol;
 540     char    *ptr;
 541     gmx_bool simple, bCombGeom, bCombLB, bSIMD;
 542
 543     if (alloc == NULL)
 544     {
 545         nbat->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
 546     }
 547     else
 548     {
 549         nbat->alloc = alloc;
 550     }
 551     if (free == NULL)
 552     {
 553         nbat->free = nbnxn_free_aligned;
 554     }
 555     else
 556     {
 557         nbat->free = free;
 558     }
 559
 560     if (debug)
 561     {
 562         fprintf(debug, "There are %d atom types in the system, adding one for nbnxn_atomdata_t\n", ntype);
 563     }
 564     nbat->ntype = ntype + 1;
 565     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp,
 566                 nbat->ntype*nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp));
 567     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_comb, nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp_comb));
 568
 569     /* A tolerance of 1e-5 seems reasonable for (possibly hand-typed)
 570      * force-field floating point parameters.
 571      */
 572     tol = 1e-5;
 573     ptr = getenv("GMX_LJCOMB_TOL");
 574     if (ptr != NULL)
 575     {
 576         double dbl;
 577
 578         sscanf(ptr, "%lf", &dbl);
 579         tol = dbl;
 580     }
 581     bCombGeom = TRUE;
 582     bCombLB   = TRUE;
 583
 584     /* Temporarily fill nbat->nbfp_comb with sigma and epsilon
 585      * to check for the LB rule.
 586      */
 587     for (i = 0; i < ntype; i++)
 588     {
 589         c6  = nbfp[(i*ntype+i)*2  ]/6.0;
 590         c12 = nbfp[(i*ntype+i)*2+1]/12.0;
 591         if (c6 > 0 && c12 > 0)
 592         {
 593             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = pow(c12/c6, 1.0/6.0);
 594             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0.25*c6*c6/c12;
 595         }
 596         else if (c6 == 0 && c12 == 0)
 597         {
 598             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 599             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 600         }
 601         else
 602         {
 603             /* Can not use LB rule with only dispersion or repulsion */
 604             bCombLB = FALSE;
 605         }
 606     }
 607
 608     for (i = 0; i < nbat->ntype; i++)
 609     {
 610         for (j = 0; j < nbat->ntype; j++)
 611         {
 612             if (i < ntype && j < ntype)
 613             {
 614                 /* fr->nbfp has been updated, so that array too now stores c6/c12 including
 615                  * the 6.0/12.0 prefactors to save 2 flops in the most common case (force-only).
 616                  */
 617                 c6  = nbfp[(i*ntype+j)*2  ];
 618                 c12 = nbfp[(i*ntype+j)*2+1];
 619                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = c6;
 620                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = c12;
 621
 622                 /* Compare 6*C6 and 12*C12 for geometric cobination rule */
 623                 bCombGeom = bCombGeom &&
 624                     gmx_within_tol(c6*c6, nbfp[(i*ntype+i)*2  ]*nbfp[(j*ntype+j)*2  ], tol) &&
 625                     gmx_within_tol(c12*c12, nbfp[(i*ntype+i)*2+1]*nbfp[(j*ntype+j)*2+1], tol);
 626
 627                 /* Compare C6 and C12 for Lorentz-Berthelot combination rule */
 628                 c6     /= 6.0;
 629                 c12    /= 12.0;
 630                 bCombLB = bCombLB &&
 631                     ((c6 == 0 && c12 == 0 &&
 632                       (nbat->nbfp_comb[i*2+1] == 0 || nbat->nbfp_comb[j*2+1] == 0)) ||
 633                      (c6 > 0 && c12 > 0 &&
 634                       gmx_within_tol(pow(c12/c6, 1.0/6.0), 0.5*(nbat->nbfp_comb[i*2]+nbat->nbfp_comb[j*2]), tol) &&
 635                       gmx_within_tol(0.25*c6*c6/c12, sqrt(nbat->nbfp_comb[i*2+1]*nbat->nbfp_comb[j*2+1]), tol)));
 636             }
 637             else
 638             {
 639                 /* Add zero parameters for the additional dummy atom type */
 640                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = 0;
 641                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 0;
 642             }
 643         }
 644     }
 645     if (debug)
 646     {
 647         fprintf(debug, "Combination rules: geometric %d Lorentz-Berthelot %d\n",
 648                 bCombGeom, bCombLB);
 649     }
 650
 651     simple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
 652
 653     switch (enbnxninitcombrule)
 654     {
 655         case enbnxninitcombruleDETECT:
 656             /* We prefer the geometic combination rule,
 657              * as that gives a slightly faster kernel than the LB rule.
 658              */
 659             if (bCombGeom)
 660             {
 661                 nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 662             }
 663             else if (bCombLB)
 664             {
 665                 nbat->comb_rule = ljcrLB;
 666             }
 667             else
 668             {
 669                 nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 670
 671                 nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 672             }
 673
 674             if (fp)
 675             {
 676                 if (nbat->comb_rule == ljcrNONE)
 677                 {
 678                     fprintf(fp, "Using full Lennard-Jones parameter combination matrix\n\n");
 679                 }
 680                 else
 681                 {
 682                     fprintf(fp, "Using %s Lennard-Jones combination rule\n\n",
 683                             nbat->comb_rule == ljcrGEOM ? "geometric" : "Lorentz-Berthelot");
 684                 }
 685             }
 686             break;
 687         case enbnxninitcombruleGEOM:
 688             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 689             break;
 690         case enbnxninitcombruleLB:
 691             nbat->comb_rule = ljcrLB;
 692             break;
 693         case enbnxninitcombruleNONE:
 694             nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 695
 696             nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 697             break;
 698         default:
 699             gmx_incons("Unknown enbnxninitcombrule");
 700     }
 701
 702     bSIMD = (nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_4xN ||
 703              nb_kernel_type == nbnxnk4xN_SIMD_2xNN);
 704
 705     set_lj_parameter_data(nbat, bSIMD);
 706
 707     nbat->natoms  = 0;
 708     nbat->type    = NULL;
 709     nbat->lj_comb = NULL;
 710     if (simple)
 711     {
 712         int pack_x;
 713
 714         if (bSIMD)
 715         {
 716             pack_x = max(NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE,
 717                          nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type));
 718             switch (pack_x)
 719             {
 720                 case 4:
 721                     nbat->XFormat = nbatX4;
 722                     break;
 723                 case 8:
 724                     nbat->XFormat = nbatX8;
 725                     break;
 726                 default:
 727                     gmx_incons("Unsupported packing width");
 728             }
 729         }
 730         else
 731         {
 732             nbat->XFormat = nbatXYZ;
 733         }
 734
 735         nbat->FFormat = nbat->XFormat;
 736     }
 737     else
 738     {
 739         nbat->XFormat = nbatXYZQ;
 740         nbat->FFormat = nbatXYZ;
 741     }
 742     nbat->q        = NULL;
 743     nbat->nenergrp = n_energygroups;
 744     if (!simple)
 745     {
 746         /* Energy groups not supported yet for super-sub lists */
 747         if (n_energygroups > 1 && fp != NULL)
 748         {
 749             fprintf(fp, "\nNOTE: With GPUs, reporting energy group contributions is not supported\n\n");
 750         }
 751         nbat->nenergrp = 1;
 752     }
 753     /* Temporary storage goes as #grp^3*simd_width^2/2, so limit to 64 */
 754     if (nbat->nenergrp > 64)
 755     {
 756         gmx_fatal(FARGS, "With NxN kernels not more than 64 energy groups are supported\n");
 757     }
 758     nbat->neg_2log = 1;
 759     while (nbat->nenergrp > (1<<nbat->neg_2log))
 760     {
 761         nbat->neg_2log++;
 762     }
 763     nbat->energrp = NULL;
 764     nbat->alloc((void **)&nbat->shift_vec, SHIFTS*sizeof(*nbat->shift_vec));
 765     nbat->xstride = (nbat->XFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 766     nbat->fstride = (nbat->FFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 767     nbat->x       = NULL;
 768
 769 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 770     if (simple)
 771     {
 772         nbnxn_atomdata_init_simple_exclusion_masks(nbat);
 773     }
 774 #endif
 775
 776     /* Initialize the output data structures */
 777     nbat->nout    = nout;
 778     snew(nbat->out, nbat->nout);
 779     nbat->nalloc  = 0;
 780     for (i = 0; i < nbat->nout; i++)
 781     {
 782         nbnxn_atomdata_output_init(&nbat->out[i],
 783                                    nb_kernel_type,
 784                                    nbat->nenergrp, 1<<nbat->neg_2log,
 785                                    nbat->alloc);
 786     }
 787     nbat->buffer_flags.flag        = NULL;
 788     nbat->buffer_flags.flag_nalloc = 0;
 789
 790     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
 791
 792     ptr = getenv("GMX_USE_TREEREDUCE");
 793     if (ptr != NULL)
 794     {
 795         nbat->bUseTreeReduce = strtol(ptr, 0, 10);
 796     }
 797 #if defined __MIC__
 798     else if (nth > 8) /*on the CPU we currently don't benefit even at 32*/
 799     {
 800         nbat->bUseTreeReduce = 1;
 801     }
 802 #endif
 803     else
 804     {
 805         nbat->bUseTreeReduce = 0;
 806     }
 807     if (nbat->bUseTreeReduce)
 808     {
 809         if (fp)
 810         {
 811             fprintf(fp, "Using tree force reduction\n\n");
 812         }
 813         snew(nbat->syncStep, nth);
 814     }
 815 }
 816
 817 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(const real *ljparam_type,
 818                                        const int *type, int na,
 819                                        real *ljparam_at)
 820 {
 821     int is, k, i;
 822
 823     /* The LJ params follow the combination rule:
 824      * copy the params for the type array to the atom array.
 825      */
 826     for (is = 0; is < na; is += PACK_X4)
 827     {
 828         for (k = 0; k < PACK_X4; k++)
 829         {
 830             i = is + k;
 831             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 832             ljparam_at[is*2+PACK_X4+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 833         }
 834     }
 835 }
 836
 837 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(const real *ljparam_type,
 838                                        const int *type, int na,
 839                                        real *ljparam_at)
 840 {
 841     int is, k, i;
 842
 843     /* The LJ params follow the combination rule:
 844      * copy the params for the type array to the atom array.
 845      */
 846     for (is = 0; is < na; is += PACK_X8)
 847     {
 848         for (k = 0; k < PACK_X8; k++)
 849         {
 850             i = is + k;
 851             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 852             ljparam_at[is*2+PACK_X8+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 853         }
 854     }
 855 }
 856
 857 /* Sets the atom type and LJ data in nbnxn_atomdata_t */
 858 static void nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 859                                          int                  ngrid,
 860                                          const nbnxn_search_t nbs,
 861                                          const int           *type)
 862 {
 863     int                 g, i, ncz, ash;
 864     const nbnxn_grid_t *grid;
 865
 866     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 867     {
 868         grid = &nbs->grid[g];
 869
 870         /* Loop over all columns and copy and fill */
 871         for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 872         {
 873             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 874             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 875
 876             copy_int_to_nbat_int(nbs->a+ash, grid->cxy_na[i], ncz*grid->na_sc,
 877                                  type, nbat->ntype-1, nbat->type+ash);
 878
 879             if (nbat->comb_rule != ljcrNONE)
 880             {
 881                 if (nbat->XFormat == nbatX4)
 882                 {
 883                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(nbat->nbfp_comb,
 884                                                nbat->type+ash, ncz*grid->na_sc,
 885                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 886                 }
 887                 else if (nbat->XFormat == nbatX8)
 888                 {
 889                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(nbat->nbfp_comb,
 890                                                nbat->type+ash, ncz*grid->na_sc,
 891                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 892                 }
 893             }
 894         }
 895     }
 896 }
 897
 898 /* Sets the charges in nbnxn_atomdata_t *nbat */
 899 static void nbnxn_atomdata_set_charges(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 900                                        int                  ngrid,
 901                                        const nbnxn_search_t nbs,
 902                                        const real          *charge)
 903 {
 904     int                 g, cxy, ncz, ash, na, na_round, i, j;
 905     real               *q;
 906     const nbnxn_grid_t *grid;
 907
 908     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 909     {
 910         grid = &nbs->grid[g];
 911
 912         /* Loop over all columns and copy and fill */
 913         for (cxy = 0; cxy < grid->ncx*grid->ncy; cxy++)
 914         {
 915             ash      = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 916             na       = grid->cxy_na[cxy];
 917             na_round = (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 918
 919             if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 920             {
 921                 q = nbat->x + ash*STRIDE_XYZQ + ZZ + 1;
 922                 for (i = 0; i < na; i++)
 923                 {
 924                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 925                     q += STRIDE_XYZQ;
 926                 }
 927                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 928                 for (; i < na_round; i++)
 929                 {
 930                     *q = 0;
 931                     q += STRIDE_XYZQ;
 932                 }
 933             }
 934             else
 935             {
 936                 q = nbat->q + ash;
 937                 for (i = 0; i < na; i++)
 938                 {
 939                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 940                     q++;
 941                 }
 942                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 943                 for (; i < na_round; i++)
 944                 {
 945                     *q = 0;
 946                     q++;
 947                 }
 948             }
 949         }
 950     }
 951 }
 952
 953 /* Set the charges of perturbed atoms in nbnxn_atomdata_t to 0.
 954  * This is to automatically remove the RF/PME self term in the nbnxn kernels.
 955  * Part of the zero interactions are still calculated in the normal kernels.
 956  * All perturbed interactions are calculated in the free energy kernel,
 957  * using the original charge and LJ data, not nbnxn_atomdata_t.
 958  */
 959 static void nbnxn_atomdata_mask_fep(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
 960                                     int                  ngrid,
 961                                     const nbnxn_search_t nbs)
 962 {
 963     real               *q;
 964     int                 stride_q, g, nsubc, c_offset, c, subc, i, ind;
 965     const nbnxn_grid_t *grid;
 966
 967     if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 968     {
 969         q        = nbat->x + ZZ + 1;
 970         stride_q = STRIDE_XYZQ;
 971     }
 972     else
 973     {
 974         q        = nbat->q;
 975         stride_q = 1;
 976     }
 977
 978     for (g = 0; g < ngrid; g++)
 979     {
 980         grid = &nbs->grid[g];
 981         if (grid->bSimple)
 982         {
 983             nsubc = 1;
 984         }
 985         else
 986         {
 987             nsubc = GPU_NSUBCELL;
 988         }
 989
 990         c_offset = grid->cell0*grid->na_sc;
 991
 992         /* Loop over all columns and copy and fill */
 993         for (c = 0; c < grid->nc*nsubc; c++)
 994         {
 995             /* Does this cluster contain perturbed particles? */
 996             if (grid->fep[c] != 0)
 997             {
 998                 for (i = 0; i < grid->na_c; i++)
 999                 {
1000                     /* Is this a perturbed particle? */
1001                     if (grid->fep[c] & (1 << i))
1002                     {
1003                         ind = c_offset + c*grid->na_c + i;
1004                         /* Set atom type and charge to non-interacting */
1005                         nbat->type[ind] = nbat->ntype - 1;
1006                         q[ind*stride_q] = 0;
1007                     }
1008                 }
1009             }
1010         }
1011     }
1012 }
1013
1014 /* Copies the energy group indices to a reordered and packed array */
1015 static void copy_egp_to_nbat_egps(const int *a, int na, int na_round,
1016                                   int na_c, int bit_shift,
1017                                   const int *in, int *innb)
1018 {
1019     int i, j, sa, at;
1020     int comb;
1021
1022     j = 0;
1023     for (i = 0; i < na; i += na_c)
1024     {
1025         /* Store na_c energy group numbers into one int */
1026         comb = 0;
1027         for (sa = 0; sa < na_c; sa++)
1028         {
1029             at = a[i+sa];
1030             if (at >= 0)
1031             {
1032                 comb |= (GET_CGINFO_GID(in[at]) << (sa*bit_shift));
1033             }
1034         }
1035         innb[j++] = comb;
1036     }
1037     /* Complete the partially filled last cell with fill */
1038     for (; i < na_round; i += na_c)
1039     {
1040         innb[j++] = 0;
1041     }
1042 }
1043
1044 /* Set the energy group indices for atoms in nbnxn_atomdata_t */
1045 static void nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
1046                                             int                  ngrid,
1047                                             const nbnxn_search_t nbs,
1048                                             const int           *atinfo)
1049 {
1050     int                 g, i, ncz, ash;
1051     const nbnxn_grid_t *grid;
1052
1053     if (nbat->nenergrp == 1)
1054     {
1055         return;
1056     }
1057
1058     for (g = 0; g < ngrid; g++)
1059     {
1060         grid = &nbs->grid[g];
1061
1062         /* Loop over all columns and copy and fill */
1063         for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
1064         {
1065             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
1066             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
1067
1068             copy_egp_to_nbat_egps(nbs->a+ash, grid->cxy_na[i], ncz*grid->na_sc,
1069                                   nbat->na_c, nbat->neg_2log,
1070                                   atinfo, nbat->energrp+(ash>>grid->na_c_2log));
1071         }
1072     }
1073 }
1074
1075 /* Sets all required atom parameter data in nbnxn_atomdata_t */
1076 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t    *nbat,
1077                         int                  locality,
1078                         const nbnxn_search_t nbs,
1079                         const t_mdatoms     *mdatoms,
1080                         const int           *atinfo)
1081 {
1082     int ngrid;
1083
1084     if (locality == eatLocal)
1085     {
1086         ngrid = 1;
1087     }
1088     else
1089     {
1090         ngrid = nbs->ngrid;
1091     }
1092
1093     nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbat, ngrid, nbs, mdatoms->typeA);
1094
1095     nbnxn_atomdata_set_charges(nbat, ngrid, nbs, mdatoms->chargeA);
1096
1097     if (nbs->bFEP)
1098     {
1099         nbnxn_atomdata_mask_fep(nbat, ngrid, nbs);
1100     }
1101
1102     nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbat, ngrid, nbs, atinfo);
1103 }
1104
1105 /* Copies the shift vector array to nbnxn_atomdata_t */
1106 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool          bDynamicBox,
1107                                   rvec             *shift_vec,
1108                                   nbnxn_atomdata_t *nbat)
1109 {
1110     int i;
1111
1112     nbat->bDynamicBox = bDynamicBox;
1113     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
1114     {
1115         copy_rvec(shift_vec[i], nbat->shift_vec[i]);
1116     }
1117 }
1118
1119 /* Copies (and reorders) the coordinates to nbnxn_atomdata_t */
1120 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const nbnxn_search_t nbs,
1121                                      int                  locality,
1122                                      gmx_bool             FillLocal,
1123                                      rvec                *x,
1124                                      nbnxn_atomdata_t    *nbat)
1125 {
1126     int g0 = 0, g1 = 0;
1127     int nth, th;
1128
1129     switch (locality)
1130     {
1131         case eatAll:
1132             g0 = 0;
1133             g1 = nbs->ngrid;
1134             break;
1135         case eatLocal:
1136             g0 = 0;
1137             g1 = 1;
1138             break;
1139         case eatNonlocal:
1140             g0 = 1;
1141             g1 = nbs->ngrid;
1142             break;
1143     }
1144
1145     if (FillLocal)
1146     {
1147         nbat->natoms_local = nbs->grid[0].nc*nbs->grid[0].na_sc;
1148     }
1149
1150     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1151
1152 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1153     for (th = 0; th < nth; th++)
1154     {
1155         int g;
1156
1157         for (g = g0; g < g1; g++)
1158         {
1159             const nbnxn_grid_t *grid;
1160             int                 cxy0, cxy1, cxy;
1161
1162             grid = &nbs->grid[g];
1163
1164             cxy0 = (grid->ncx*grid->ncy* th   +nth-1)/nth;
1165             cxy1 = (grid->ncx*grid->ncy*(th+1)+nth-1)/nth;
1166
1167             for (cxy = cxy0; cxy < cxy1; cxy++)
1168             {
1169                 int na, ash, na_fill;
1170
1171                 na  = grid->cxy_na[cxy];
1172                 ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1173
1174                 if (g == 0 && FillLocal)
1175                 {
1176                     na_fill =
1177                         (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1178                 }
1179                 else
1180                 {
1181                     /* We fill only the real particle locations.
1182                      * We assume the filling entries at the end have been
1183                      * properly set before during ns.
1184                      */
1185                     na_fill = na;
1186                 }
1187                 copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+ash, na, na_fill, x,
1188                                        nbat->XFormat, nbat->x, ash,
1189                                        0, 0, 0);
1190             }
1191         }
1192     }
1193 }
1194
1195 static void
1196 nbnxn_atomdata_clear_reals(real * gmx_restrict dest,
1197                            int i0, int i1)
1198 {
1199     int i;
1200
1201     for (i = i0; i < i1; i++)
1202     {
1203         dest[i] = 0;
1204     }
1205 }
1206
1207 static void
1208 nbnxn_atomdata_reduce_reals(real * gmx_restrict dest,
1209                             gmx_bool bDestSet,
1210                             real ** gmx_restrict src,
1211                             int nsrc,
1212                             int i0, int i1)
1213 {
1214     int i, s;
1215
1216     if (bDestSet)
1217     {
1218         /* The destination buffer contains data, add to it */
1219         for (i = i0; i < i1; i++)
1220         {
1221             for (s = 0; s < nsrc; s++)
1222             {
1223                 dest[i] += src[s][i];
1224             }
1225         }
1226     }
1227     else
1228     {
1229         /* The destination buffer is unitialized, set it first */
1230         for (i = i0; i < i1; i++)
1231         {
1232             dest[i] = src[0][i];
1233             for (s = 1; s < nsrc; s++)
1234             {
1235                 dest[i] += src[s][i];
1236             }
1237         }
1238     }
1239 }
1240
1241 static void
1242 nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd(real gmx_unused * gmx_restrict dest,
1243                                  gmx_bool gmx_unused bDestSet,
1244                                  real gmx_unused ** gmx_restrict src,
1245                                  int gmx_unused nsrc,
1246                                  int gmx_unused i0, int gmx_unused i1)
1247 {
1248 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1249 /* The SIMD width here is actually independent of that in the kernels,
1250  * but we use the same width for simplicity (usually optimal anyhow).
1251  */
1252     int             i, s;
1253     gmx_simd_real_t dest_SSE, src_SSE;
1254
1255     if (bDestSet)
1256     {
1257         for (i = i0; i < i1; i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1258         {
1259             dest_SSE = gmx_simd_load_r(dest+i);
1260             for (s = 0; s < nsrc; s++)
1261             {
1262                 src_SSE  = gmx_simd_load_r(src[s]+i);
1263                 dest_SSE = gmx_simd_add_r(dest_SSE, src_SSE);
1264             }
1265             gmx_simd_store_r(dest+i, dest_SSE);
1266         }
1267     }
1268     else
1269     {
1270         for (i = i0; i < i1; i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
1271         {
1272             dest_SSE = gmx_simd_load_r(src[0]+i);
1273             for (s = 1; s < nsrc; s++)
1274             {
1275                 src_SSE  = gmx_simd_load_r(src[s]+i);
1276                 dest_SSE = gmx_simd_add_r(dest_SSE, src_SSE);
1277             }
1278             gmx_simd_store_r(dest+i, dest_SSE);
1279         }
1280     }
1281 #endif
1282 }
1283
1284 /* Add part of the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1285 static void
1286 nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(const nbnxn_search_t nbs,
1287                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1288                                     nbnxn_atomdata_output_t *out,
1289                                     int nfa,
1290                                     int a0, int a1,
1291                                     rvec *f)
1292 {
1293     int         a, i, fa;
1294     const int  *cell;
1295     const real *fnb;
1296
1297     cell = nbs->cell;
1298
1299     /* Loop over all columns and copy and fill */
1300     switch (nbat->FFormat)
1301     {
1302         case nbatXYZ:
1303         case nbatXYZQ:
1304             if (nfa == 1)
1305             {
1306                 fnb = out[0].f;
1307
1308                 for (a = a0; a < a1; a++)
1309                 {
1310                     i = cell[a]*nbat->fstride;
1311
1312                     f[a][XX] += fnb[i];
1313                     f[a][YY] += fnb[i+1];
1314                     f[a][ZZ] += fnb[i+2];
1315                 }
1316             }
1317             else
1318             {
1319                 for (a = a0; a < a1; a++)
1320                 {
1321                     i = cell[a]*nbat->fstride;
1322
1323                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1324                     {
1325                         f[a][XX] += out[fa].f[i];
1326                         f[a][YY] += out[fa].f[i+1];
1327                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+2];
1328                     }
1329                 }
1330             }
1331             break;
1332         case nbatX4:
1333             if (nfa == 1)
1334             {
1335                 fnb = out[0].f;
1336
1337                 for (a = a0; a < a1; a++)
1338                 {
1339                     i = X4_IND_A(cell[a]);
1340
1341                     f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X4];
1342                     f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X4];
1343                     f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X4];
1344                 }
1345             }
1346             else
1347             {
1348                 for (a = a0; a < a1; a++)
1349                 {
1350                     i = X4_IND_A(cell[a]);
1351
1352                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1353                     {
1354                         f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X4];
1355                         f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X4];
1356                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X4];
1357                     }
1358                 }
1359             }
1360             break;
1361         case nbatX8:
1362             if (nfa == 1)
1363             {
1364                 fnb = out[0].f;
1365
1366                 for (a = a0; a < a1; a++)
1367                 {
1368                     i = X8_IND_A(cell[a]);
1369
1370                     f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X8];
1371                     f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X8];
1372                     f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X8];
1373                 }
1374             }
1375             else
1376             {
1377                 for (a = a0; a < a1; a++)
1378                 {
1379                     i = X8_IND_A(cell[a]);
1380
1381                     for (fa = 0; fa < nfa; fa++)
1382                     {
1383                         f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X8];
1384                         f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X8];
1385                         f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X8];
1386                     }
1387                 }
1388             }
1389             break;
1390         default:
1391             gmx_incons("Unsupported nbnxn_atomdata_t format");
1392     }
1393 }
1394
1395 static gmx_inline unsigned char reverse_bits(unsigned char b)
1396 {
1397     /* http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#ReverseByteWith64BitsDiv */
1398     return (b * 0x0202020202ULL & 0x010884422010ULL) % 1023;
1399 }
1400
1401 static void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_treereduce(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1402                                                       int                     nth)
1403 {
1404     const nbnxn_buffer_flags_t *flags = &nbat->buffer_flags;
1405
1406     int next_pow2 = 1<<(gmx_log2i(nth-1)+1);
1407
1408     assert(nbat->nout == nth); /* tree-reduce currently only works for nout==nth */
1409
1410     memset(nbat->syncStep, 0, sizeof(*(nbat->syncStep))*nth);
1411
1412 #pragma omp parallel num_threads(nth)
1413     {
1414         int   b0, b1, b;
1415         int   i0, i1;
1416         int   group_size, th;
1417
1418         th = gmx_omp_get_thread_num();
1419
1420         for (group_size = 2; group_size < 2*next_pow2; group_size *= 2)
1421         {
1422             int index[2], group_pos, partner_pos, wu;
1423             int partner_th = th ^ (group_size/2);
1424
1425             if (group_size > 2)
1426             {
1427 #ifdef TMPI_ATOMICS
1428                 /* wait on partner thread - replaces full barrier */
1429                 int sync_th, sync_group_size;
1430
1431                 tMPI_Atomic_memory_barrier();                         /* gurantee data is saved before marking work as done */
1432                 tMPI_Atomic_set(&(nbat->syncStep[th]), group_size/2); /* mark previous step as completed */
1433
1434                 /* find thread to sync with. Equal to partner_th unless nth is not a power of two. */
1435                 for (sync_th = partner_th, sync_group_size = group_size; sync_th >= nth && sync_group_size > 2; sync_group_size /= 2)
1436                 {
1437                     sync_th &= ~(sync_group_size/4);
1438                 }
1439                 if (sync_th < nth) /* otherwise nothing to sync index[1] will be >=nout */
1440                 {
1441                     /* wait on the thread which computed input data in previous step */
1442                     while (tMPI_Atomic_get((volatile tMPI_Atomic_t*)&(nbat->syncStep[sync_th])) < group_size/2)
1443                     {
1444                         gmx_pause();
1445                     }
1446                     /* guarantee that no later load happens before wait loop is finisehd */
1447                     tMPI_Atomic_memory_barrier();
1448                 }
1449 #else           /* TMPI_ATOMICS */
1450 #pragma omp barrier
1451 #endif
1452             }
1453
1454             /* Calculate buffers to sum (result goes into first buffer) */
1455             group_pos = th % group_size;
1456             index[0]  = th - group_pos;
1457             index[1]  = index[0] + group_size/2;
1458
1459             /* If no second buffer, nothing to do */
1460             if (index[1] >= nbat->nout && group_size > 2)
1461             {
1462                 continue;
1463             }
1464
1465 #if NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS > 256
1466 #error reverse_bits assumes max 256 threads
1467 #endif
1468             /* Position is permuted so that one of the 2 vectors being added was computed on the same thread in the previous step.
1469                This improves locality and enables to sync with just a single thread between steps (=the levels in the btree).
1470                The permutation which allows this corresponds to reversing the bits of the group position.
1471              */
1472             group_pos = reverse_bits(group_pos)/(256/group_size);
1473
1474             partner_pos = group_pos ^ 1;
1475
1476             /* loop over two work-units (own and partner) */
1477             for (wu = 0; wu < 2; wu++)
1478             {
1479                 if (wu == 1)
1480                 {
1481                     if (partner_th < nth)
1482                     {
1483                         break; /* partner exists we don't have to do his work */
1484                     }
1485                     else
1486                     {
1487                         group_pos = partner_pos;
1488                     }
1489                 }
1490
1491                 /* Calculate the cell-block range for our thread */
1492                 b0 = (flags->nflag* group_pos   )/group_size;
1493                 b1 = (flags->nflag*(group_pos+1))/group_size;
1494
1495                 for (b = b0; b < b1; b++)
1496                 {
1497                     i0 =  b   *NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1498                     i1 = (b+1)*NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1499
1500                     if ((flags->flag[b] & (1ULL<<index[1])) || group_size > 2)
1501                     {
1502 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1503                         nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd
1504 #else
1505                         nbnxn_atomdata_reduce_reals
1506 #endif
1507                             (nbat->out[index[0]].f,
1508                             (flags->flag[b] & (1ULL<<index[0])) || group_size > 2,
1509                             &(nbat->out[index[1]].f), 1, i0, i1);
1510
1511                     }
1512                     else if (!(flags->flag[b] & (1ULL<<index[0])))
1513                     {
1514                         nbnxn_atomdata_clear_reals(nbat->out[index[0]].f,
1515                                                    i0, i1);
1516                     }
1517                 }
1518             }
1519         }
1520     }
1521 }
1522
1523
1524 static void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_stdreduce(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1525                                                      int                     nth)
1526 {
1527     int th;
1528 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1529     for (th = 0; th < nth; th++)
1530     {
1531         const nbnxn_buffer_flags_t *flags;
1532         int   b0, b1, b;
1533         int   i0, i1;
1534         int   nfptr;
1535         real *fptr[NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS];
1536         int   out;
1537
1538         flags = &nbat->buffer_flags;
1539
1540         /* Calculate the cell-block range for our thread */
1541         b0 = (flags->nflag* th   )/nth;
1542         b1 = (flags->nflag*(th+1))/nth;
1543
1544         for (b = b0; b < b1; b++)
1545         {
1546             i0 =  b   *NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1547             i1 = (b+1)*NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1548
1549             nfptr = 0;
1550             for (out = 1; out < nbat->nout; out++)
1551             {
1552                 if (flags->flag[b] & (1U<<out))
1553                 {
1554                     fptr[nfptr++] = nbat->out[out].f;
1555                 }
1556             }
1557             if (nfptr > 0)
1558             {
1559 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
1560                 nbnxn_atomdata_reduce_reals_simd
1561 #else
1562                 nbnxn_atomdata_reduce_reals
1563 #endif
1564                     (nbat->out[0].f,
1565                     flags->flag[b] & (1U<<0),
1566                     fptr, nfptr,
1567                     i0, i1);
1568             }
1569             else if (!(flags->flag[b] & (1U<<0)))
1570             {
1571                 nbnxn_atomdata_clear_reals(nbat->out[0].f,
1572                                            i0, i1);
1573             }
1574         }
1575     }
1576 }
1577
1578 /* Add the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1579 void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f(const nbnxn_search_t    nbs,
1580                                     int                     locality,
1581                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1582                                     rvec                   *f)
1583 {
1584     int a0 = 0, na = 0;
1585     int nth, th;
1586
1587     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1588
1589     switch (locality)
1590     {
1591         case eatAll:
1592             a0 = 0;
1593             na = nbs->natoms_nonlocal;
1594             break;
1595         case eatLocal:
1596             a0 = 0;
1597             na = nbs->natoms_local;
1598             break;
1599         case eatNonlocal:
1600             a0 = nbs->natoms_local;
1601             na = nbs->natoms_nonlocal - nbs->natoms_local;
1602             break;
1603     }
1604
1605     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
1606
1607     if (nbat->nout > 1)
1608     {
1609         if (locality != eatAll)
1610         {
1611             gmx_incons("add_f_to_f called with nout>1 and locality!=eatAll");
1612         }
1613
1614         /* Reduce the force thread output buffers into buffer 0, before adding
1615          * them to the, differently ordered, "real" force buffer.
1616          */
1617         if (nbat->bUseTreeReduce)
1618         {
1619             nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_treereduce(nbat, nth);
1620         }
1621         else
1622         {
1623             nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_stdreduce(nbat, nth);
1624         }
1625     }
1626 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1627     for (th = 0; th < nth; th++)
1628     {
1629         nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(nbs, nbat,
1630                                             nbat->out,
1631                                             1,
1632                                             a0+((th+0)*na)/nth,
1633                                             a0+((th+1)*na)/nth,
1634                                             f);
1635     }
1636
1637     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1638 }
1639
1640 /* Adds the shift forces from nbnxn_atomdata_t to fshift */
1641 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1642                                               rvec                   *fshift)
1643 {
1644     const nbnxn_atomdata_output_t *out;
1645     int  th;
1646     int  s;
1647     rvec sum;
1648
1649     out = nbat->out;
1650
1651     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
1652     {
1653         clear_rvec(sum);
1654         for (th = 0; th < nbat->nout; th++)
1655         {
1656             sum[XX] += out[th].fshift[s*DIM+XX];
1657             sum[YY] += out[th].fshift[s*DIM+YY];
1658             sum[ZZ] += out[th].fshift[s*DIM+ZZ];
1659         }
1660         rvec_inc(fshift[s], sum);
1661     }
1662 }