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                 /* fr->nbfp has been updated, so that array too now stores c6/c12 including
 510                  * the 6.0/12.0 prefactors to save 2 flops in the most common case (force-only).
 511                  */
 512                 c6  = nbfp[(i*ntype+j)*2  ];
 513                 c12 = nbfp[(i*ntype+j)*2+1];
 514                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = c6;
 515                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = c12;
 516                 c6  /= 6.0;
 517                 c12 /= 12.0;
 518
 519                 bCombGeom = bCombGeom &&
 520                     gmx_within_tol(c6*c6  ,nbfp[(i*ntype+i)*2  ]*nbfp[(j*ntype+j)*2  ],tol) &&
 521                     gmx_within_tol(c12*c12,nbfp[(i*ntype+i)*2+1]*nbfp[(j*ntype+j)*2+1],tol);
 522
 523                 bCombLB = bCombLB &&
 524                     ((c6 == 0 && c12 == 0 &&
 525                       (nbat->nbfp_comb[i*2+1] == 0 || nbat->nbfp_comb[j*2+1] == 0)) ||
 526                      (c6 > 0 && c12 > 0 &&
 527                       gmx_within_tol(pow(c12/c6,1.0/6.0),0.5*(nbat->nbfp_comb[i*2]+nbat->nbfp_comb[j*2]),tol) &&
 528                       gmx_within_tol(0.25*c6*c6/c12,sqrt(nbat->nbfp_comb[i*2+1]*nbat->nbfp_comb[j*2+1]),tol)));
 529             }
 530             else
 531             {
 532                 /* Add zero parameters for the additional dummy atom type */
 533                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = 0;
 534                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 0;
 535             }
 536         }
 537     }
 538     if (debug)
 539     {
 540         fprintf(debug,"Combination rules: geometric %d Lorentz-Berthelot %d\n",
 541                 bCombGeom,bCombLB);
 542     }
 543
 544     simple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
 545
 546     if (simple)
 547     {
 548         /* We prefer the geometic combination rule,
 549          * as that gives a slightly faster kernel than the LB rule.
 550          */
 551         if (bCombGeom)
 552         {
 553             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 554         }
 555         else if (bCombLB)
 556         {
 557             nbat->comb_rule = ljcrLB;
 558         }
 559         else
 560         {
 561             nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 562
 563             nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 564         }
 565
 566         if (fp)
 567         {
 568             if (nbat->comb_rule == ljcrNONE)
 569             {
 570                 fprintf(fp,"Using full Lennard-Jones parameter combination matrix\n\n");
 571             }
 572             else
 573             {
 574                 fprintf(fp,"Using %s Lennard-Jones combination rule\n\n",
 575                         nbat->comb_rule==ljcrGEOM ? "geometric" : "Lorentz-Berthelot");
 576             }
 577         }
 578
 579         set_combination_rule_data(nbat);
 580     }
 581     else
 582     {
 583         nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 584
 585         nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 586     }
 587
 588     nbat->natoms  = 0;
 589     nbat->type    = NULL;
 590     nbat->lj_comb = NULL;
 591     if (simple)
 592     {
 593         switch (nb_kernel_type)
 594         {
 595         case nbk4xN_X86_SIMD128:
 596             nbat->XFormat = nbatX4;
 597             break;
 598         case nbk4xN_X86_SIMD256:
 599 #ifndef GMX_DOUBLE
 600             nbat->XFormat = nbatX8;
 601 #else
 602             nbat->XFormat = nbatX4;
 603 #endif
 604             break;
 605         default:
 606             nbat->XFormat = nbatXYZ;
 607             break;
 608         }
 609
 610         nbat->FFormat = nbat->XFormat;
 611     }
 612     else
 613     {
 614         nbat->XFormat = nbatXYZQ;
 615         nbat->FFormat = nbatXYZ;
 616     }
 617     nbat->q       = NULL;
 618     nbat->nenergrp = n_energygroups;
 619     if (!simple)
 620     {
 621         /* Energy groups not supported yet for super-sub lists */
 622         if (n_energygroups > 1 && fp != NULL)
 623         {
 624             fprintf(fp,"\nNOTE: With GPUs, reporting energy group contributions is not supported\n\n");
 625         }
 626         nbat->nenergrp = 1;
 627     }
 628     /* Temporary storage goes as #grp^3*simd_width^2/2, so limit to 64 */
 629     if (nbat->nenergrp > 64)
 630     {
 631         gmx_fatal(FARGS,"With NxN kernels not more than 64 energy groups are supported\n");
 632     }
 633     nbat->neg_2log = 1;
 634     while (nbat->nenergrp > (1<<nbat->neg_2log))
 635     {
 636         nbat->neg_2log++;
 637     }
 638     nbat->energrp = NULL;
 639     nbat->alloc((void **)&nbat->shift_vec,SHIFTS*sizeof(*nbat->shift_vec));
 640     nbat->xstride = (nbat->XFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 641     nbat->fstride = (nbat->FFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 642     nbat->x       = NULL;
 643     nbat->nout    = nout;
 644     snew(nbat->out,nbat->nout);
 645     nbat->nalloc  = 0;
 646     for(i=0; i<nbat->nout; i++)
 647     {
 648         nbnxn_atomdata_output_init(&nbat->out[i],
 649                                    nb_kernel_type,
 650                                    nbat->nenergrp,1<<nbat->neg_2log,
 651                                    nbat->alloc);
 652     }
 653 }
 654
 655 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(const real *ljparam_type,
 656                                        const int *type,int na,
 657                                        real *ljparam_at)
 658 {
 659     int is,k,i;
 660
 661     /* The LJ params follow the combination rule:
 662      * copy the params for the type array to the atom array.
 663      */
 664     for(is=0; is<na; is+=PACK_X4)
 665     {
 666         for(k=0; k<PACK_X4; k++)
 667         {
 668             i = is + k;
 669             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 670             ljparam_at[is*2+PACK_X4+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 671         }
 672     }
 673 }
 674
 675 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(const real *ljparam_type,
 676                                        const int *type,int na,
 677                                        real *ljparam_at)
 678 {
 679     int is,k,i;
 680
 681     /* The LJ params follow the combination rule:
 682      * copy the params for the type array to the atom array.
 683      */
 684     for(is=0; is<na; is+=PACK_X8)
 685     {
 686         for(k=0; k<PACK_X8; k++)
 687         {
 688             i = is + k;
 689             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 690             ljparam_at[is*2+PACK_X8+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 691         }
 692     }
 693 }
 694
 695 /* Sets the atom type and LJ data in nbnxn_atomdata_t */
 696 static void nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 697                                          int ngrid,
 698                                          const nbnxn_search_t nbs,
 699                                          const int *type)
 700 {
 701     int g,i,ncz,ash;
 702     const nbnxn_grid_t *grid;
 703
 704     for(g=0; g<ngrid; g++)
 705     {
 706         grid = &nbs->grid[g];
 707
 708         /* Loop over all columns and copy and fill */
 709         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
 710         {
 711             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 712             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 713
 714             copy_int_to_nbat_int(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
 715                                  type,nbat->ntype-1,nbat->type+ash);
 716
 717             if (nbat->comb_rule != ljcrNONE)
 718             {
 719                 if (nbat->XFormat == nbatX4)
 720                 {
 721                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(nbat->nbfp_comb,
 722                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
 723                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 724                 }
 725                 else if (nbat->XFormat == nbatX8)
 726                 {
 727                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(nbat->nbfp_comb,
 728                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
 729                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 730                 }
 731             }
 732         }
 733     }
 734 }
 735
 736 /* Sets the charges in nbnxn_atomdata_t *nbat */
 737 static void nbnxn_atomdata_set_charges(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 738                                        int ngrid,
 739                                        const nbnxn_search_t nbs,
 740                                        const real *charge)
 741 {
 742     int  g,cxy,ncz,ash,na,na_round,i,j;
 743     real *q;
 744     const nbnxn_grid_t *grid;
 745
 746     for(g=0; g<ngrid; g++)
 747     {
 748         grid = &nbs->grid[g];
 749
 750         /* Loop over all columns and copy and fill */
 751         for(cxy=0; cxy<grid->ncx*grid->ncy; cxy++)
 752         {
 753             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 754             na  = grid->cxy_na[cxy];
 755             na_round = (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 756
 757             if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 758             {
 759                 q = nbat->x + ash*STRIDE_XYZQ + ZZ + 1;
 760                 for(i=0; i<na; i++)
 761                 {
 762                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 763                     q += STRIDE_XYZQ;
 764                 }
 765                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 766                 for(; i<na_round; i++)
 767                 {
 768                     *q = 0;
 769                     q += STRIDE_XYZQ;
 770                 }
 771             }
 772             else
 773             {
 774                 q = nbat->q + ash;
 775                 for(i=0; i<na; i++)
 776                 {
 777                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 778                     q++;
 779                 }
 780                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 781                 for(; i<na_round; i++)
 782                 {
 783                     *q = 0;
 784                     q++;
 785                 }
 786             }
 787         }
 788     }
 789 }
 790
 791 /* Copies the energy group indices to a reordered and packed array */
 792 static void copy_egp_to_nbat_egps(const int *a,int na,int na_round,
 793                                   int na_c,int bit_shift,
 794                                   const int *in,int *innb)
 795 {
 796     int i,j,sa,at;
 797     int comb;
 798
 799     j = 0;
 800     for(i=0; i<na; i+=na_c)
 801     {
 802         /* Store na_c energy group numbers into one int */
 803         comb = 0;
 804         for(sa=0; sa<na_c; sa++)
 805         {
 806             at = a[i+sa];
 807             if (at >= 0)
 808             {
 809                 comb |= (GET_CGINFO_GID(in[at]) << (sa*bit_shift));
 810             }
 811         }
 812         innb[j++] = comb;
 813     }
 814     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 815     for(; i<na_round; i+=na_c)
 816     {
 817         innb[j++] = 0;
 818     }
 819 }
 820
 821 /* Set the energy group indices for atoms in nbnxn_atomdata_t */
 822 static void nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 823                                             int ngrid,
 824                                             const nbnxn_search_t nbs,
 825                                             const int *atinfo)
 826 {
 827     int g,i,ncz,ash;
 828     const nbnxn_grid_t *grid;
 829
 830     for(g=0; g<ngrid; g++)
 831     {
 832         grid = &nbs->grid[g];
 833
 834         /* Loop over all columns and copy and fill */
 835         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
 836         {
 837             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 838             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 839
 840             copy_egp_to_nbat_egps(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
 841                                   nbat->na_c,nbat->neg_2log,
 842                                   atinfo,nbat->energrp+(ash>>grid->na_c_2log));
 843         }
 844     }
 845 }
 846
 847 /* Sets all required atom parameter data in nbnxn_atomdata_t */
 848 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 849                         int locality,
 850                         const nbnxn_search_t nbs,
 851                         const t_mdatoms *mdatoms,
 852                         const int *atinfo)
 853 {
 854     int ngrid;
 855
 856     if (locality == eatLocal)
 857     {
 858         ngrid = 1;
 859     }
 860     else
 861     {
 862         ngrid = nbs->ngrid;
 863     }
 864
 865     nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->typeA);
 866
 867     nbnxn_atomdata_set_charges(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->chargeA);
 868
 869     if (nbat->nenergrp > 1)
 870     {
 871         nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbat,ngrid,nbs,atinfo);
 872     }
 873 }
 874
 875 /* Copies the shift vector array to nbnxn_atomdata_t */
 876 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool bDynamicBox,
 877                                    rvec *shift_vec,
 878                                    nbnxn_atomdata_t *nbat)
 879 {
 880     int i;
 881
 882     nbat->bDynamicBox = bDynamicBox;
 883     for(i=0; i<SHIFTS; i++)
 884     {
 885         copy_rvec(shift_vec[i],nbat->shift_vec[i]);
 886     }
 887 }
 888
 889 /* Copies (and reorders) the coordinates to nbnxn_atomdata_t */
 890 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const nbnxn_search_t nbs,
 891                                       int locality,
 892                                       gmx_bool FillLocal,
 893                                       rvec *x,
 894                                       nbnxn_atomdata_t *nbat)
 895 {
 896     int g0=0,g1=0;
 897     int nth,th;
 898
 899     switch (locality)
 900     {
 901     case eatAll:
 902         g0 = 0;
 903         g1 = nbs->ngrid;
 904         break;
 905     case eatLocal:
 906         g0 = 0;
 907         g1 = 1;
 908         break;
 909     case eatNonlocal:
 910         g0 = 1;
 911         g1 = nbs->ngrid;
 912         break;
 913     }
 914
 915     if (FillLocal)
 916     {
 917         nbat->natoms_local = nbs->grid[0].nc*nbs->grid[0].na_sc;
 918     }
 919
 920     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
 921
 922 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
 923     for(th=0; th<nth; th++)
 924     {
 925         int g;
 926
 927         for(g=g0; g<g1; g++)
 928         {
 929             const nbnxn_grid_t *grid;
 930             int cxy0,cxy1,cxy;
 931
 932             grid = &nbs->grid[g];
 933
 934             cxy0 = (grid->ncx*grid->ncy* th   +nth-1)/nth;
 935             cxy1 = (grid->ncx*grid->ncy*(th+1)+nth-1)/nth;
 936
 937             for(cxy=cxy0; cxy<cxy1; cxy++)
 938             {
 939                 int na,ash,na_fill;
 940
 941                 na  = grid->cxy_na[cxy];
 942                 ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 943
 944                 if (g == 0 && FillLocal)
 945                 {
 946                     na_fill =
 947                         (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 948                 }
 949                 else
 950                 {
 951                     /* We fill only the real particle locations.
 952                      * We assume the filling entries at the end have been
 953                      * properly set before during ns.
 954                      */
 955                     na_fill = na;
 956                 }
 957                 copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+ash,na,na_fill,x,
 958                                        nbat->XFormat,nbat->x,ash,
 959                                        0,0,0);
 960             }
 961         }
 962     }
 963 }
 964
 965 static void
 966 nbnxn_atomdata_reduce_reals(real * gmx_restrict dest,
 967                             nbnxn_atomdata_output_t * gmx_restrict src,
 968                             int nsrc,
 969                             int i0, int i1)
 970 {
 971     int i,s;
 972
 973     for(i=i0; i<i1; i++)
 974     {
 975         for(s=0; s<nsrc; s++)
 976         {
 977             dest[i] += src[s].f[i];
 978         }
 979     }
 980 }
 981
 982 static void
 983 nbnxn_atomdata_reduce_reals_x86_simd(real * gmx_restrict dest,
 984                                      nbnxn_atomdata_output_t * gmx_restrict src,
 985                                      int nsrc,
 986                                      int i0, int i1)
 987 {
 988 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
 989 #ifdef GMX_X86_AVX_256
 990 #define GMX_MM256_HERE
 991 #else
 992 #define GMX_MM128_HERE
 993 #endif
 994 #include "gmx_x86_simd_macros.h"
 995
 996     int       i,s;
 997     gmx_mm_pr dest_SSE,src_SSE;
 998
 999     if ((i0 & (GMX_X86_SIMD_WIDTH_HERE-1)) ||
1000         (i1 & (GMX_X86_SIMD_WIDTH_HERE-1)))
1001     {
1002         gmx_incons("bounds not a multiple of GMX_X86_SIMD_WIDTH_HERE in nbnxn_atomdata_reduce_reals_x86_simd");
1003     }
1004
1005     for(i=i0; i<i1; i+=GMX_X86_SIMD_WIDTH_HERE)
1006     {
1007         dest_SSE = gmx_load_pr(dest+i);
1008         for(s=0; s<nsrc; s++)
1009         {
1010             src_SSE  = gmx_load_pr(src[s].f+i);
1011             dest_SSE = gmx_add_pr(dest_SSE,src_SSE);
1012         }
1013         gmx_store_pr(dest+i,dest_SSE);
1014     }
1015
1016 #undef GMX_MM128_HERE
1017 #undef GMX_MM256_HERE
1018 #endif
1019 }
1020
1021 /* Add part of the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1022 static void
1023 nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(const nbnxn_search_t nbs,
1024                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1025                                     nbnxn_atomdata_output_t *out,
1026                                     int nfa,
1027                                     int a0,int a1,
1028                                     rvec *f)
1029 {
1030     int  a,i,fa;
1031     const int  *cell;
1032     const real *fnb;
1033
1034     cell = nbs->cell;
1035
1036     /* Loop over all columns and copy and fill */
1037     switch (nbat->FFormat)
1038     {
1039     case nbatXYZ:
1040     case nbatXYZQ:
1041         if (nfa == 1)
1042         {
1043             fnb = out[0].f;
1044
1045             for(a=a0; a<a1; a++)
1046             {
1047                 i = cell[a]*nbat->fstride;
1048
1049                 f[a][XX] += fnb[i];
1050                 f[a][YY] += fnb[i+1];
1051                 f[a][ZZ] += fnb[i+2];
1052             }
1053         }
1054         else
1055         {
1056             for(a=a0; a<a1; a++)
1057             {
1058                 i = cell[a]*nbat->fstride;
1059
1060                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1061                 {
1062                     f[a][XX] += out[fa].f[i];
1063                     f[a][YY] += out[fa].f[i+1];
1064                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+2];
1065                 }
1066             }
1067         }
1068         break;
1069     case nbatX4:
1070         if (nfa == 1)
1071         {
1072             fnb = out[0].f;
1073
1074             for(a=a0; a<a1; a++)
1075             {
1076                 i = X4_IND_A(cell[a]);
1077
1078                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X4];
1079                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X4];
1080                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X4];
1081             }
1082         }
1083         else
1084         {
1085             for(a=a0; a<a1; a++)
1086             {
1087                 i = X4_IND_A(cell[a]);
1088
1089                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1090                 {
1091                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X4];
1092                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X4];
1093                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X4];
1094                 }
1095             }
1096         }
1097         break;
1098     case nbatX8:
1099         if (nfa == 1)
1100         {
1101             fnb = out[0].f;
1102
1103             for(a=a0; a<a1; a++)
1104             {
1105                 i = X8_IND_A(cell[a]);
1106
1107                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X8];
1108                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X8];
1109                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X8];
1110             }
1111         }
1112         else
1113         {
1114             for(a=a0; a<a1; a++)
1115             {
1116                 i = X8_IND_A(cell[a]);
1117
1118                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1119                 {
1120                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X8];
1121                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X8];
1122                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X8];
1123                 }
1124             }
1125         }
1126         break;
1127     }
1128 }
1129
1130 /* Add the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1131 void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f(const nbnxn_search_t nbs,
1132                                     int locality,
1133                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1134                                     rvec *f)
1135 {
1136     int a0=0,na=0;
1137     int nth,th;
1138     gmx_bool bStreamingReduce;
1139
1140     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1141
1142     switch (locality)
1143     {
1144     case eatAll:
1145         a0 = 0;
1146         na = nbs->natoms_nonlocal;
1147         break;
1148     case eatLocal:
1149         a0 = 0;
1150         na = nbs->natoms_local;
1151         break;
1152     case eatNonlocal:
1153         a0 = nbs->natoms_local;
1154         na = nbs->natoms_nonlocal - nbs->natoms_local;
1155         break;
1156     }
1157
1158     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
1159
1160     /* Using the two-step streaming reduction is probably always faster */
1161     bStreamingReduce = (nbat->nout > 1);
1162
1163     if (bStreamingReduce)
1164     {
1165         /* Reduce the force thread output buffers into buffer 0, before adding
1166          * them to the, differently ordered, "real" force buffer.
1167          */
1168 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1169         for(th=0; th<nth; th++)
1170         {
1171             int g0,g1;
1172             int b0,b1,nb;
1173             int blocksize,i0,i1;
1174
1175             /* For which grids should we reduce the force output? */
1176             g0 = ((locality==eatLocal || locality==eatAll) ? 0 : 1);
1177             g1 = (locality==eatLocal ? 1 : nbs->ngrid);
1178
1179             /* Get the grid cell bounds */
1180             b0 = nbs->grid[g0].cell0;
1181             b1 = nbs->grid[g1-1].cell0 + nbs->grid[g1-1].nc;
1182             blocksize = nbs->grid[g0].na_sc*nbat->fstride;
1183             /* The simple grid size in atoms is a multiple of na_cj.
1184              * With float-AVX256 we use this and make blocksize a multiple of 8.
1185              */
1186             if (nbs->grid[0].bSimple && nbs->grid[0].na_cj > nbs->grid[0].na_c)
1187             {
1188                 blocksize *= 2;
1189                 b0 /= 2;
1190                 b1 /= 2;
1191             }
1192             nb = b1 - b0;
1193
1194             /* Calculate the index range for our thread */
1195             i0 = (b0 + (nb* th   )/nth)*blocksize;
1196             i1 = (b0 + (nb*(th+1))/nth)*blocksize;
1197
1198 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
1199             nbnxn_atomdata_reduce_reals_x86_simd(
1200 #else
1201             nbnxn_atomdata_reduce_reals(
1202 #endif
1203                                         nbat->out[0].f,
1204                                         nbat->out+1,nbat->nout - 1,
1205                                         i0,i1);
1206         }
1207     }
1208
1209 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1210     for(th=0; th<nth; th++)
1211     {
1212         nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(nbs,nbat,
1213                                             nbat->out,
1214                                             bStreamingReduce ? 1 : nbat->nout,
1215                                             a0+((th+0)*na)/nth,
1216                                             a0+((th+1)*na)/nth,
1217                                             f);
1218     }
1219
1220     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1221 }
1222
1223 /* Adds the shift forces from nbnxn_atomdata_t to fshift */
1224 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1225                                               rvec *fshift)
1226 {
1227     const nbnxn_atomdata_output_t *out;
1228     int  th;
1229     int  s;
1230     rvec sum;
1231
1232     out = nbat->out;
1233
1234     for(s=0; s<SHIFTS; s++)
1235     {
1236         clear_rvec(sum);
1237         for(th=0; th<nbat->nout; th++)
1238         {
1239             sum[XX] += out[th].fshift[s*DIM+XX];
1240             sum[YY] += out[th].fshift[s*DIM+YY];
1241             sum[ZZ] += out[th].fshift[s*DIM+ZZ];
1242         }
1243         rvec_inc(fshift[s],sum);
1244     }
1245 }