src/gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.c

   1 /* -*- mode: c; tab-width: 4; indent-tabs-mode: nil; c-basic-offset: 4; c-file-style: "stroustrup"; -*-
   2  *
   3  *
   4  *                This source code is part of
   5  *
   6  *                 G   R   O   M   A   C   S
   7  *
   8  *          GROningen MAchine for Chemical Simulations
   9  *
  10  * Written by David van der Spoel, Erik Lindahl, Berk Hess, and others.
  11  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
  12  * Copyright (c) 2001-2012, The GROMACS development team,
  13  * check out http://www.gromacs.org for more information.
  14
  15  * This program is free software; you can redistribute it and/or
  16  * modify it under the terms of the GNU General Public License
  17  * as published by the Free Software Foundation; either version 2
  18  * of the License, or (at your option) any later version.
  19  *
  20  * If you want to redistribute modifications, please consider that
  21  * scientific software is very special. Version control is crucial -
  22  * bugs must be traceable. We will be happy to consider code for
  23  * inclusion in the official distribution, but derived work must not
  24  * be called official GROMACS. Details are found in the README & COPYING
  25  * files - if they are missing, get the official version at www.gromacs.org.
  26  *
  27  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  28  * the papers on the package - you can find them in the top README file.
  29  *
  30  * For more info, check our website at http://www.gromacs.org
  31  */
  32
  33 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  34 #include <config.h>
  35 #endif
  36
  37 #include <math.h>
  38 #include <string.h>
  39 #include "smalloc.h"
  40 #include "macros.h"
  41 #include "vec.h"
  42 #include "nbnxn_consts.h"
  43 #include "nbnxn_internal.h"
  44 #include "nbnxn_search.h"
  45 #include "nbnxn_atomdata.h"
  46 #include "gmx_omp_nthreads.h"
  47
  48 /* Default nbnxn allocation routine, allocates 32 byte aligned,
  49  * which works for plain C and aligned SSE and AVX loads/stores.
  50  */
  51 void nbnxn_alloc_aligned(void **ptr,size_t nbytes)
  52 {
  53     *ptr = save_malloc_aligned("ptr",__FILE__,__LINE__,nbytes,1,32);
  54 }
  55
  56 /* Free function for memory allocated with nbnxn_alloc_aligned */
  57 void nbnxn_free_aligned(void *ptr)
  58 {
  59     sfree_aligned(ptr);
  60 }
  61
  62 /* Reallocation wrapper function for nbnxn data structures */
  63 void nbnxn_realloc_void(void **ptr,
  64                         int nbytes_copy,int nbytes_new,
  65                         nbnxn_alloc_t *ma,
  66                         nbnxn_free_t  *mf)
  67 {
  68     void *ptr_new;
  69
  70     ma(&ptr_new,nbytes_new);
  71
  72     if (nbytes_new > 0 && ptr_new == NULL)
  73     {
  74         gmx_fatal(FARGS, "Allocation of %d bytes failed", nbytes_new);
  75     }
  76
  77     if (nbytes_copy > 0)
  78     {
  79         if (nbytes_new < nbytes_copy)
  80         {
  81             gmx_incons("In nbnxn_realloc_void: new size less than copy size");
  82         }
  83         memcpy(ptr_new,*ptr,nbytes_copy);
  84     }
  85     if (*ptr != NULL)
  86     {
  87         mf(*ptr);
  88     }
  89     *ptr = ptr_new;
  90 }
  91
  92 /* Reallocate the nbnxn_atomdata_t for a size of n atoms */
  93 void nbnxn_atomdata_realloc(nbnxn_atomdata_t *nbat,int n)
  94 {
  95     int t;
  96
  97     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->type,
  98                        nbat->natoms*sizeof(*nbat->type),
  99                        n*sizeof(*nbat->type),
 100                        nbat->alloc,nbat->free);
 101     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->lj_comb,
 102                        nbat->natoms*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 103                        n*2*sizeof(*nbat->lj_comb),
 104                        nbat->alloc,nbat->free);
 105     if (nbat->XFormat != nbatXYZQ)
 106     {
 107         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->q,
 108                            nbat->natoms*sizeof(*nbat->q),
 109                            n*sizeof(*nbat->q),
 110                            nbat->alloc,nbat->free);
 111     }
 112     if (nbat->nenergrp > 1)
 113     {
 114         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->energrp,
 115                            nbat->natoms/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 116                            n/nbat->na_c*sizeof(*nbat->energrp),
 117                            nbat->alloc,nbat->free);
 118     }
 119     nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->x,
 120                        nbat->natoms*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 121                        n*nbat->xstride*sizeof(*nbat->x),
 122                        nbat->alloc,nbat->free);
 123     for(t=0; t<nbat->nout; t++)
 124     {
 125         /* Allocate one element extra for possible signaling with CUDA */
 126         nbnxn_realloc_void((void **)&nbat->out[t].f,
 127                            nbat->natoms*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 128                            n*nbat->fstride*sizeof(*nbat->out[t].f),
 129                            nbat->alloc,nbat->free);
 130     }
 131     nbat->nalloc = n;
 132 }
 133
 134 /* Initializes an nbnxn_atomdata_output_t data structure */
 135 static void nbnxn_atomdata_output_init(nbnxn_atomdata_output_t *out,
 136                                        int nb_kernel_type,
 137                                        int nenergrp,int stride,
 138                                        nbnxn_alloc_t *ma)
 139 {
 140     int cj_size;
 141
 142     out->f = NULL;
 143     ma((void **)&out->fshift,SHIFTS*DIM*sizeof(*out->fshift));
 144     out->nV = nenergrp*nenergrp;
 145     ma((void **)&out->Vvdw,out->nV*sizeof(*out->Vvdw));
 146     ma((void **)&out->Vc  ,out->nV*sizeof(*out->Vc  ));
 147
 148     if (nb_kernel_type == nbk4xN_X86_SIMD128 ||
 149         nb_kernel_type == nbk4xN_X86_SIMD256)
 150     {
 151         cj_size = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
 152         out->nVS = nenergrp*nenergrp*stride*(cj_size>>1)*cj_size;
 153         ma((void **)&out->VSvdw,out->nVS*sizeof(*out->VSvdw));
 154         ma((void **)&out->VSc  ,out->nVS*sizeof(*out->VSc  ));
 155     }
 156     else
 157     {
 158         out->nVS = 0;
 159     }
 160 }
 161
 162 static void copy_int_to_nbat_int(const int *a,int na,int na_round,
 163                                  const int *in,int fill,int *innb)
 164 {
 165     int i,j;
 166
 167     j = 0;
 168     for(i=0; i<na; i++)
 169     {
 170         innb[j++] = in[a[i]];
 171     }
 172     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 173     for(; i<na_round; i++)
 174     {
 175         innb[j++] = fill;
 176     }
 177 }
 178
 179 static void clear_nbat_real(int na,int nbatFormat,real *xnb,int a0)
 180 {
 181     int a,d,j,c;
 182
 183     switch (nbatFormat)
 184     {
 185     case nbatXYZ:
 186         for(a=0; a<na; a++)
 187         {
 188             for(d=0; d<DIM; d++)
 189             {
 190                 xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZ+d] = 0;
 191             }
 192         }
 193         break;
 194     case nbatXYZQ:
 195         for(a=0; a<na; a++)
 196         {
 197             for(d=0; d<DIM; d++)
 198             {
 199                 xnb[(a0+a)*STRIDE_XYZQ+d] = 0;
 200             }
 201         }
 202         break;
 203     case nbatX4:
 204         j = X4_IND_A(a0);
 205         c = a0 & (PACK_X4-1);
 206         for(a=0; a<na; a++)
 207         {
 208             xnb[j+XX*PACK_X4] = 0;
 209             xnb[j+YY*PACK_X4] = 0;
 210             xnb[j+ZZ*PACK_X4] = 0;
 211             j++;
 212             c++;
 213             if (c == PACK_X4)
 214             {
 215                 j += (DIM-1)*PACK_X4;
 216                 c  = 0;
 217             }
 218         }
 219         break;
 220     case nbatX8:
 221         j = X8_IND_A(a0);
 222         c = a0 & (PACK_X8-1);
 223         for(a=0; a<na; a++)
 224         {
 225             xnb[j+XX*PACK_X8] = 0;
 226             xnb[j+YY*PACK_X8] = 0;
 227             xnb[j+ZZ*PACK_X8] = 0;
 228             j++;
 229             c++;
 230             if (c == PACK_X8)
 231             {
 232                 j += (DIM-1)*PACK_X8;
 233                 c  = 0;
 234             }
 235         }
 236         break;
 237     }
 238 }
 239
 240 void copy_rvec_to_nbat_real(const int *a,int na,int na_round,
 241                             rvec *x,int nbatFormat,real *xnb,int a0,
 242                             int cx,int cy,int cz)
 243 {
 244     int i,j,c;
 245
 246 /* We might need to place filler particles to fill up the cell to na_round.
 247  * The coefficients (LJ and q) for such particles are zero.
 248  * But we might still get NaN as 0*NaN when distances are too small.
 249  * We hope that -107 nm is far away enough from to zero
 250  * to avoid accidental short distances to particles shifted down for pbc.
 251  */
 252 #define NBAT_FAR_AWAY 107
 253
 254     switch (nbatFormat)
 255     {
 256     case nbatXYZ:
 257         j = a0*STRIDE_XYZ;
 258         for(i=0; i<na; i++)
 259         {
 260             xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 261             xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 262             xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 263         }
 264         /* Complete the partially filled last cell with copies of the last element.
 265          * This simplifies the bounding box calculation and avoid
 266          * numerical issues with atoms that are coincidentally close.
 267          */
 268         for(; i<na_round; i++)
 269         {
 270             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 271             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 272             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 273         }
 274         break;
 275     case nbatXYZQ:
 276         j = a0*STRIDE_XYZQ;
 277         for(i=0; i<na; i++)
 278         {
 279             xnb[j++] = x[a[i]][XX];
 280             xnb[j++] = x[a[i]][YY];
 281             xnb[j++] = x[a[i]][ZZ];
 282             j++;
 283         }
 284         /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 285         for(; i<na_round; i++)
 286         {
 287             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 288             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 289             xnb[j++] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 290             j++;
 291         }
 292         break;
 293     case nbatX4:
 294         j = X4_IND_A(a0);
 295         c = a0 & (PACK_X4-1);
 296         for(i=0; i<na; i++)
 297         {
 298             xnb[j+XX*PACK_X4] = x[a[i]][XX];
 299             xnb[j+YY*PACK_X4] = x[a[i]][YY];
 300             xnb[j+ZZ*PACK_X4] = x[a[i]][ZZ];
 301             j++;
 302             c++;
 303             if (c == PACK_X4)
 304             {
 305                 j += (DIM-1)*PACK_X4;
 306                 c  = 0;
 307             }
 308         }
 309         /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 310         for(; i<na_round; i++)
 311         {
 312             xnb[j+XX*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 313             xnb[j+YY*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 314             xnb[j+ZZ*PACK_X4] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 315             j++;
 316             c++;
 317             if (c == PACK_X4)
 318             {
 319                 j += (DIM-1)*PACK_X4;
 320                 c  = 0;
 321             }
 322         }
 323         break;
 324     case nbatX8:
 325         j = X8_IND_A(a0);
 326         c = a0 & (PACK_X8 - 1);
 327         for(i=0; i<na; i++)
 328         {
 329             xnb[j+XX*PACK_X8] = x[a[i]][XX];
 330             xnb[j+YY*PACK_X8] = x[a[i]][YY];
 331             xnb[j+ZZ*PACK_X8] = x[a[i]][ZZ];
 332             j++;
 333             c++;
 334             if (c == PACK_X8)
 335             {
 336                 j += (DIM-1)*PACK_X8;
 337                 c  = 0;
 338             }
 339         }
 340         /* Complete the partially filled last cell with particles far apart */
 341         for(; i<na_round; i++)
 342         {
 343             xnb[j+XX*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cx);
 344             xnb[j+YY*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cy);
 345             xnb[j+ZZ*PACK_X8] = -NBAT_FAR_AWAY*(1 + cz + i);
 346             j++;
 347             c++;
 348             if (c == PACK_X8)
 349             {
 350                 j += (DIM-1)*PACK_X8;
 351                 c  = 0;
 352             }
 353         }
 354         break;
 355     default:
 356         gmx_incons("Unsupported stride");
 357     }
 358 }
 359
 360 /* Determines the combination rule (or none) to be used, stores it,
 361  * and sets the LJ parameters required with the rule.
 362  */
 363 static void set_combination_rule_data(nbnxn_atomdata_t *nbat)
 364 {
 365     int  nt,i,j;
 366     real c6,c12;
 367
 368     nt = nbat->ntype;
 369
 370     switch (nbat->comb_rule)
 371     {
 372     case  ljcrGEOM:
 373         nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 374
 375         for(i=0; i<nt; i++)
 376         {
 377             /* Copy the diagonal from the nbfp matrix */
 378             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ]);
 379             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1]);
 380         }
 381         break;
 382     case ljcrLB:
 383         for(i=0; i<nt; i++)
 384         {
 385             /* Get 6*C6 and 12*C12 from the diagonal of the nbfp matrix */
 386             c6  = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2  ];
 387             c12 = nbat->nbfp[(i*nt+i)*2+1];
 388             if (c6 > 0 && c12 > 0)
 389             {
 390                 /* We store 0.5*2^1/6*sigma and sqrt(4*3*eps),
 391                  * so we get 6*C6 and 12*C12 after combining.
 392                  */
 393                 nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0.5*pow(c12/c6,1.0/6.0);
 394                 nbat->nbfp_comb[i*2+1] = sqrt(c6*c6/c12);
 395             }
 396             else
 397             {
 398                 nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 399                 nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 400             }
 401         }
 402         break;
 403     case ljcrNONE:
 404         /* In nbfp_s4 we use a stride of 4 for storing two parameters */
 405         nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_s4,nt*nt*4*sizeof(*nbat->nbfp_s4));
 406         for(i=0; i<nt; i++)
 407         {
 408             for(j=0; j<nt; j++)
 409             {
 410                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+0] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+0];
 411                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+1] = nbat->nbfp[(i*nt+j)*2+1];
 412                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+2] = 0;
 413                 nbat->nbfp_s4[(i*nt+j)*4+3] = 0;
 414             }
 415         }
 416         break;
 417     default:
 418         gmx_incons("Unknown combination rule");
 419         break;
 420     }
 421 }
 422
 423 /* Initializes an nbnxn_atomdata_t data structure */
 424 void nbnxn_atomdata_init(FILE *fp,
 425                          nbnxn_atomdata_t *nbat,
 426                          int nb_kernel_type,
 427                          int ntype,const real *nbfp,
 428                          int n_energygroups,
 429                          int nout,
 430                          nbnxn_alloc_t *alloc,
 431                          nbnxn_free_t  *free)
 432 {
 433     int  i,j;
 434     real c6,c12,tol;
 435     char *ptr;
 436     gmx_bool simple,bCombGeom,bCombLB;
 437
 438     if (alloc == NULL)
 439     {
 440         nbat->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
 441     }
 442     else
 443     {
 444         nbat->alloc = alloc;
 445     }
 446     if (free == NULL)
 447     {
 448         nbat->free = nbnxn_free_aligned;
 449     }
 450     else
 451     {
 452         nbat->free = free;
 453     }
 454
 455     if (debug)
 456     {
 457         fprintf(debug,"There are %d atom types in the system, adding one for nbnxn_atomdata_t\n",ntype);
 458     }
 459     nbat->ntype = ntype + 1;
 460     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp,
 461                 nbat->ntype*nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp));
 462     nbat->alloc((void **)&nbat->nbfp_comb,nbat->ntype*2*sizeof(*nbat->nbfp_comb));
 463
 464     /* A tolerance of 1e-5 seems reasonable for (possibly hand-typed)
 465      * force-field floating point parameters.
 466      */
 467     tol = 1e-5;
 468     ptr = getenv("GMX_LJCOMB_TOL");
 469     if (ptr != NULL)
 470     {
 471         double dbl;
 472
 473         sscanf(ptr,"%lf",&dbl);
 474         tol = dbl;
 475     }
 476     bCombGeom = TRUE;
 477     bCombLB   = TRUE;
 478
 479     /* Temporarily fill nbat->nbfp_comb with sigma and epsilon
 480      * to check for the LB rule.
 481      */
 482     for(i=0; i<ntype; i++)
 483     {
 484         c6  = nbfp[(i*ntype+i)*2  ];
 485         c12 = nbfp[(i*ntype+i)*2+1];
 486         if (c6 > 0 && c12 > 0)
 487         {
 488             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = pow(c12/c6,1.0/6.0);
 489             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0.25*c6*c6/c12;
 490         }
 491         else if (c6 == 0 && c12 == 0)
 492         {
 493             nbat->nbfp_comb[i*2  ] = 0;
 494             nbat->nbfp_comb[i*2+1] = 0;
 495         }
 496         else
 497         {
 498             /* Can not use LB rule with only dispersion or repulsion */
 499             bCombLB = FALSE;
 500         }
 501     }
 502
 503     for(i=0; i<nbat->ntype; i++)
 504     {
 505         for(j=0; j<nbat->ntype; j++)
 506         {
 507             if (i < ntype && j < ntype)
 508             {
 509                 /* We store the prefactor in the derivative of the potential
 510                  * in the parameter to avoid multiplications in the inner loop.
 511                  */
 512                 c6  = nbfp[(i*ntype+j)*2  ];
 513                 c12 = nbfp[(i*ntype+j)*2+1];
 514                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] =  6.0*c6;
 515                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 12.0*c12;
 516
 517                 bCombGeom = bCombGeom &&
 518                     gmx_within_tol(c6*c6  ,nbfp[(i*ntype+i)*2  ]*nbfp[(j*ntype+j)*2  ],tol) &&
 519                     gmx_within_tol(c12*c12,nbfp[(i*ntype+i)*2+1]*nbfp[(j*ntype+j)*2+1],tol);
 520
 521                 bCombLB = bCombLB &&
 522                     ((c6 == 0 && c12 == 0 &&
 523                       (nbat->nbfp_comb[i*2+1] == 0 || nbat->nbfp_comb[j*2+1] == 0)) ||
 524                      (c6 > 0 && c12 > 0 &&
 525                       gmx_within_tol(pow(c12/c6,1.0/6.0),0.5*(nbat->nbfp_comb[i*2]+nbat->nbfp_comb[j*2]),tol) &&
 526                       gmx_within_tol(0.25*c6*c6/c12,sqrt(nbat->nbfp_comb[i*2+1]*nbat->nbfp_comb[j*2+1]),tol)));
 527             }
 528             else
 529             {
 530                 /* Add zero parameters for the additional dummy atom type */
 531                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = 0;
 532                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 0;
 533             }
 534         }
 535     }
 536     if (debug)
 537     {
 538         fprintf(debug,"Combination rules: geometric %d Lorentz-Berthelot %d\n",
 539                 bCombGeom,bCombLB);
 540     }
 541
 542     simple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
 543
 544     if (simple)
 545     {
 546         /* We prefer the geometic combination rule,
 547          * as that gives a slightly faster kernel than the LB rule.
 548          */
 549         if (bCombGeom)
 550         {
 551             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 552         }
 553         else if (bCombLB)
 554         {
 555             nbat->comb_rule = ljcrLB;
 556         }
 557         else
 558         {
 559             nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 560
 561             nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 562         }
 563
 564         if (fp)
 565         {
 566             if (nbat->comb_rule == ljcrNONE)
 567             {
 568                 fprintf(fp,"Using full Lennard-Jones parameter combination matrix\n\n");
 569             }
 570             else
 571             {
 572                 fprintf(fp,"Using %s Lennard-Jones combination rule\n\n",
 573                         nbat->comb_rule==ljcrGEOM ? "geometric" : "Lorentz-Berthelot");
 574             }
 575         }
 576
 577         set_combination_rule_data(nbat);
 578     }
 579     else
 580     {
 581         nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 582
 583         nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 584     }
 585
 586     nbat->natoms  = 0;
 587     nbat->type    = NULL;
 588     nbat->lj_comb = NULL;
 589     if (simple)
 590     {
 591         switch (nb_kernel_type)
 592         {
 593         case nbk4xN_X86_SIMD128:
 594             nbat->XFormat = nbatX4;
 595             break;
 596         case nbk4xN_X86_SIMD256:
 597 #ifndef GMX_DOUBLE
 598             nbat->XFormat = nbatX8;
 599 #else
 600             nbat->XFormat = nbatX4;
 601 #endif
 602             break;
 603         default:
 604             nbat->XFormat = nbatXYZ;
 605             break;
 606         }
 607
 608         nbat->FFormat = nbat->XFormat;
 609     }
 610     else
 611     {
 612         nbat->XFormat = nbatXYZQ;
 613         nbat->FFormat = nbatXYZ;
 614     }
 615     nbat->q       = NULL;
 616     nbat->nenergrp = n_energygroups;
 617     if (!simple)
 618     {
 619         /* Energy groups not supported yet for super-sub lists */
 620         if (n_energygroups > 1 && fp != NULL)
 621         {
 622             fprintf(fp,"\nNOTE: With GPUs, reporting energy group contributions is not supported\n\n");
 623         }
 624         nbat->nenergrp = 1;
 625     }
 626     /* Temporary storage goes as #grp^3*simd_width^2/2, so limit to 64 */
 627     if (nbat->nenergrp > 64)
 628     {
 629         gmx_fatal(FARGS,"With NxN kernels not more than 64 energy groups are supported\n");
 630     }
 631     nbat->neg_2log = 1;
 632     while (nbat->nenergrp > (1<<nbat->neg_2log))
 633     {
 634         nbat->neg_2log++;
 635     }
 636     nbat->energrp = NULL;
 637     nbat->alloc((void **)&nbat->shift_vec,SHIFTS*sizeof(*nbat->shift_vec));
 638     nbat->xstride = (nbat->XFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 639     nbat->fstride = (nbat->FFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 640     nbat->x       = NULL;
 641     nbat->nout    = nout;
 642     snew(nbat->out,nbat->nout);
 643     nbat->nalloc  = 0;
 644     for(i=0; i<nbat->nout; i++)
 645     {
 646         nbnxn_atomdata_output_init(&nbat->out[i],
 647                                    nb_kernel_type,
 648                                    nbat->nenergrp,1<<nbat->neg_2log,
 649                                    nbat->alloc);
 650     }
 651 }
 652
 653 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(const real *ljparam_type,
 654                                        const int *type,int na,
 655                                        real *ljparam_at)
 656 {
 657     int is,k,i;
 658
 659     /* The LJ params follow the combination rule:
 660      * copy the params for the type array to the atom array.
 661      */
 662     for(is=0; is<na; is+=PACK_X4)
 663     {
 664         for(k=0; k<PACK_X4; k++)
 665         {
 666             i = is + k;
 667             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 668             ljparam_at[is*2+PACK_X4+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 669         }
 670     }
 671 }
 672
 673 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(const real *ljparam_type,
 674                                        const int *type,int na,
 675                                        real *ljparam_at)
 676 {
 677     int is,k,i;
 678
 679     /* The LJ params follow the combination rule:
 680      * copy the params for the type array to the atom array.
 681      */
 682     for(is=0; is<na; is+=PACK_X8)
 683     {
 684         for(k=0; k<PACK_X8; k++)
 685         {
 686             i = is + k;
 687             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 688             ljparam_at[is*2+PACK_X8+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 689         }
 690     }
 691 }
 692
 693 /* Sets the atom type and LJ data in nbnxn_atomdata_t */
 694 static void nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 695                                          int ngrid,
 696                                          const nbnxn_search_t nbs,
 697                                          const int *type)
 698 {
 699     int g,i,ncz,ash;
 700     const nbnxn_grid_t *grid;
 701
 702     for(g=0; g<ngrid; g++)
 703     {
 704         grid = &nbs->grid[g];
 705
 706         /* Loop over all columns and copy and fill */
 707         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
 708         {
 709             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 710             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 711
 712             copy_int_to_nbat_int(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
 713                                  type,nbat->ntype-1,nbat->type+ash);
 714
 715             if (nbat->comb_rule != ljcrNONE)
 716             {
 717                 if (nbat->XFormat == nbatX4)
 718                 {
 719                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(nbat->nbfp_comb,
 720                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
 721                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 722                 }
 723                 else if (nbat->XFormat == nbatX8)
 724                 {
 725                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(nbat->nbfp_comb,
 726                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
 727                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 728                 }
 729             }
 730         }
 731     }
 732 }
 733
 734 /* Sets the charges in nbnxn_atomdata_t *nbat */
 735 static void nbnxn_atomdata_set_charges(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 736                                        int ngrid,
 737                                        const nbnxn_search_t nbs,
 738                                        const real *charge)
 739 {
 740     int  g,cxy,ncz,ash,na,na_round,i,j;
 741     real *q;
 742     const nbnxn_grid_t *grid;
 743
 744     for(g=0; g<ngrid; g++)
 745     {
 746         grid = &nbs->grid[g];
 747
 748         /* Loop over all columns and copy and fill */
 749         for(cxy=0; cxy<grid->ncx*grid->ncy; cxy++)
 750         {
 751             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 752             na  = grid->cxy_na[cxy];
 753             na_round = (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 754
 755             if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 756             {
 757                 q = nbat->x + ash*STRIDE_XYZQ + ZZ + 1;
 758                 for(i=0; i<na; i++)
 759                 {
 760                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 761                     q += STRIDE_XYZQ;
 762                 }
 763                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 764                 for(; i<na_round; i++)
 765                 {
 766                     *q = 0;
 767                     q += STRIDE_XYZQ;
 768                 }
 769             }
 770             else
 771             {
 772                 q = nbat->q + ash;
 773                 for(i=0; i<na; i++)
 774                 {
 775                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 776                     q++;
 777                 }
 778                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 779                 for(; i<na_round; i++)
 780                 {
 781                     *q = 0;
 782                     q++;
 783                 }
 784             }
 785         }
 786     }
 787 }
 788
 789 /* Copies the energy group indices to a reordered and packed array */
 790 static void copy_egp_to_nbat_egps(const int *a,int na,int na_round,
 791                                   int na_c,int bit_shift,
 792                                   const int *in,int *innb)
 793 {
 794     int i,j,sa,at;
 795     int comb;
 796
 797     j = 0;
 798     for(i=0; i<na; i+=na_c)
 799     {
 800         /* Store na_c energy group numbers into one int */
 801         comb = 0;
 802         for(sa=0; sa<na_c; sa++)
 803         {
 804             at = a[i+sa];
 805             if (at >= 0)
 806             {
 807                 comb |= (GET_CGINFO_GID(in[at]) << (sa*bit_shift));
 808             }
 809         }
 810         innb[j++] = comb;
 811     }
 812     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 813     for(; i<na_round; i+=na_c)
 814     {
 815         innb[j++] = 0;
 816     }
 817 }
 818
 819 /* Set the energy group indices for atoms in nbnxn_atomdata_t */
 820 static void nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 821                                             int ngrid,
 822                                             const nbnxn_search_t nbs,
 823                                             const int *atinfo)
 824 {
 825     int g,i,ncz,ash;
 826     const nbnxn_grid_t *grid;
 827
 828     for(g=0; g<ngrid; g++)
 829     {
 830         grid = &nbs->grid[g];
 831
 832         /* Loop over all columns and copy and fill */
 833         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
 834         {
 835             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 836             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 837
 838             copy_egp_to_nbat_egps(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
 839                                   nbat->na_c,nbat->neg_2log,
 840                                   atinfo,nbat->energrp+(ash>>grid->na_c_2log));
 841         }
 842     }
 843 }
 844
 845 /* Sets all required atom parameter data in nbnxn_atomdata_t */
 846 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 847                         int locality,
 848                         const nbnxn_search_t nbs,
 849                         const t_mdatoms *mdatoms,
 850                         const int *atinfo)
 851 {
 852     int ngrid;
 853
 854     if (locality == eatLocal)
 855     {
 856         ngrid = 1;
 857     }
 858     else
 859     {
 860         ngrid = nbs->ngrid;
 861     }
 862
 863     nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->typeA);
 864
 865     nbnxn_atomdata_set_charges(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->chargeA);
 866
 867     if (nbat->nenergrp > 1)
 868     {
 869         nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbat,ngrid,nbs,atinfo);
 870     }
 871 }
 872
 873 /* Copies the shift vector array to nbnxn_atomdata_t */
 874 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool bDynamicBox,
 875                                    rvec *shift_vec,
 876                                    nbnxn_atomdata_t *nbat)
 877 {
 878     int i;
 879
 880     nbat->bDynamicBox = bDynamicBox;
 881     for(i=0; i<SHIFTS; i++)
 882     {
 883         copy_rvec(shift_vec[i],nbat->shift_vec[i]);
 884     }
 885 }
 886
 887 /* Copies (and reorders) the coordinates to nbnxn_atomdata_t */
 888 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const nbnxn_search_t nbs,
 889                                       int locality,
 890                                       gmx_bool FillLocal,
 891                                       rvec *x,
 892                                       nbnxn_atomdata_t *nbat)
 893 {
 894     int g0=0,g1=0;
 895     int nth,th;
 896
 897     switch (locality)
 898     {
 899     case eatAll:
 900         g0 = 0;
 901         g1 = nbs->ngrid;
 902         break;
 903     case eatLocal:
 904         g0 = 0;
 905         g1 = 1;
 906         break;
 907     case eatNonlocal:
 908         g0 = 1;
 909         g1 = nbs->ngrid;
 910         break;
 911     }
 912
 913     if (FillLocal)
 914     {
 915         nbat->natoms_local = nbs->grid[0].nc*nbs->grid[0].na_sc;
 916     }
 917
 918     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
 919
 920 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
 921     for(th=0; th<nth; th++)
 922     {
 923         int g;
 924
 925         for(g=g0; g<g1; g++)
 926         {
 927             const nbnxn_grid_t *grid;
 928             int cxy0,cxy1,cxy;
 929
 930             grid = &nbs->grid[g];
 931
 932             cxy0 = (grid->ncx*grid->ncy* th   +nth-1)/nth;
 933             cxy1 = (grid->ncx*grid->ncy*(th+1)+nth-1)/nth;
 934
 935             for(cxy=cxy0; cxy<cxy1; cxy++)
 936             {
 937                 int na,ash,na_fill;
 938
 939                 na  = grid->cxy_na[cxy];
 940                 ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 941
 942                 if (g == 0 && FillLocal)
 943                 {
 944                     na_fill =
 945                         (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 946                 }
 947                 else
 948                 {
 949                     /* We fill only the real particle locations.
 950                      * We assume the filling entries at the end have been
 951                      * properly set before during ns.
 952                      */
 953                     na_fill = na;
 954                 }
 955                 copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+ash,na,na_fill,x,
 956                                        nbat->XFormat,nbat->x,ash,
 957                                        0,0,0);
 958             }
 959         }
 960     }
 961 }
 962
 963 /* Add part of the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
 964 static void
 965 nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(const nbnxn_search_t nbs,
 966                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
 967                                     nbnxn_atomdata_output_t *out,
 968                                     int nfa,
 969                                     int a0,int a1,
 970                                     rvec *f)
 971 {
 972     int  a,i,fa;
 973     const int  *cell;
 974     const real *fnb;
 975
 976     cell = nbs->cell;
 977
 978     /* Loop over all columns and copy and fill */
 979     switch (nbat->FFormat)
 980     {
 981     case nbatXYZ:
 982     case nbatXYZQ:
 983         if (nfa == 1)
 984         {
 985             fnb = out[0].f;
 986
 987             for(a=a0; a<a1; a++)
 988             {
 989                 i = cell[a]*nbat->fstride;
 990
 991                 f[a][XX] += fnb[i];
 992                 f[a][YY] += fnb[i+1];
 993                 f[a][ZZ] += fnb[i+2];
 994             }
 995         }
 996         else
 997         {
 998             for(a=a0; a<a1; a++)
 999             {
1000                 i = cell[a]*nbat->fstride;
1001
1002                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1003                 {
1004                     f[a][XX] += out[fa].f[i];
1005                     f[a][YY] += out[fa].f[i+1];
1006                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+2];
1007                 }
1008             }
1009         }
1010         break;
1011     case nbatX4:
1012         if (nfa == 1)
1013         {
1014             fnb = out[0].f;
1015
1016             for(a=a0; a<a1; a++)
1017             {
1018                 i = X4_IND_A(cell[a]);
1019
1020                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X4];
1021                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X4];
1022                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X4];
1023             }
1024         }
1025         else
1026         {
1027             for(a=a0; a<a1; a++)
1028             {
1029                 i = X4_IND_A(cell[a]);
1030
1031                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1032                 {
1033                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X4];
1034                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X4];
1035                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X4];
1036                 }
1037             }
1038         }
1039         break;
1040     case nbatX8:
1041         if (nfa == 1)
1042         {
1043             fnb = out[0].f;
1044
1045             for(a=a0; a<a1; a++)
1046             {
1047                 i = X8_IND_A(cell[a]);
1048
1049                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X8];
1050                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X8];
1051                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X8];
1052             }
1053         }
1054         else
1055         {
1056             for(a=a0; a<a1; a++)
1057             {
1058                 i = X8_IND_A(cell[a]);
1059
1060                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1061                 {
1062                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X8];
1063                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X8];
1064                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X8];
1065                 }
1066             }
1067         }
1068         break;
1069     }
1070 }
1071
1072 /* Add the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1073 void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f(const nbnxn_search_t nbs,
1074                                     int locality,
1075                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1076                                     rvec *f)
1077 {
1078     int a0=0,na=0;
1079     int nth,th;
1080
1081     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1082
1083     switch (locality)
1084     {
1085     case eatAll:
1086         a0 = 0;
1087         na = nbs->natoms_nonlocal;
1088         break;
1089     case eatLocal:
1090         a0 = 0;
1091         na = nbs->natoms_local;
1092         break;
1093     case eatNonlocal:
1094         a0 = nbs->natoms_local;
1095         na = nbs->natoms_nonlocal - nbs->natoms_local;
1096         break;
1097     }
1098
1099     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
1100 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1101     for(th=0; th<nth; th++)
1102     {
1103         nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(nbs,nbat,
1104                                              nbat->out,
1105                                              nbat->nout,
1106                                              a0+((th+0)*na)/nth,
1107                                              a0+((th+1)*na)/nth,
1108                                              f);
1109     }
1110
1111     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1112 }
1113
1114 /* Adds the shift forces from nbnxn_atomdata_t to fshift */
1115 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1116                                               rvec *fshift)
1117 {
1118     const nbnxn_atomdata_output_t *out;
1119     int  th;
1120     int  s;
1121     rvec sum;
1122
1123     out = nbat->out;
1124
1125     for(s=0; s<SHIFTS; s++)
1126     {
1127         clear_rvec(sum);
1128         for(th=0; th<nbat->nout; th++)
1129         {
1130             sum[XX] += out[th].fshift[s*DIM+XX];
1131             sum[YY] += out[th].fshift[s*DIM+YY];
1132             sum[ZZ] += out[th].fshift[s*DIM+ZZ];
1133         }
1134         rvec_inc(fshift[s],sum);
1135     }
1136 }