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  ]/6.0;
 485         c12 = nbfp[(i*ntype+i)*2+1]/12.0;
 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
 517                 /* Compare 6*C6 and 12*C12 for geometric cobination rule */
 518                 bCombGeom = bCombGeom &&
 519                     gmx_within_tol(c6*c6  ,nbfp[(i*ntype+i)*2  ]*nbfp[(j*ntype+j)*2  ],tol) &&
 520                     gmx_within_tol(c12*c12,nbfp[(i*ntype+i)*2+1]*nbfp[(j*ntype+j)*2+1],tol);
 521
 522                 /* Compare C6 and C12 for Lorentz-Berthelot combination rule */
 523                 c6  /= 6.0;
 524                 c12 /= 12.0;
 525                 bCombLB = bCombLB &&
 526                     ((c6 == 0 && c12 == 0 &&
 527                       (nbat->nbfp_comb[i*2+1] == 0 || nbat->nbfp_comb[j*2+1] == 0)) ||
 528                      (c6 > 0 && c12 > 0 &&
 529                       gmx_within_tol(pow(c12/c6,1.0/6.0),0.5*(nbat->nbfp_comb[i*2]+nbat->nbfp_comb[j*2]),tol) &&
 530                       gmx_within_tol(0.25*c6*c6/c12,sqrt(nbat->nbfp_comb[i*2+1]*nbat->nbfp_comb[j*2+1]),tol)));
 531             }
 532             else
 533             {
 534                 /* Add zero parameters for the additional dummy atom type */
 535                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2  ] = 0;
 536                 nbat->nbfp[(i*nbat->ntype+j)*2+1] = 0;
 537             }
 538         }
 539     }
 540     if (debug)
 541     {
 542         fprintf(debug,"Combination rules: geometric %d Lorentz-Berthelot %d\n",
 543                 bCombGeom,bCombLB);
 544     }
 545
 546     simple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
 547
 548     if (simple)
 549     {
 550         /* We prefer the geometic combination rule,
 551          * as that gives a slightly faster kernel than the LB rule.
 552          */
 553         if (bCombGeom)
 554         {
 555             nbat->comb_rule = ljcrGEOM;
 556         }
 557         else if (bCombLB)
 558         {
 559             nbat->comb_rule = ljcrLB;
 560         }
 561         else
 562         {
 563             nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 564
 565             nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 566         }
 567
 568         if (fp)
 569         {
 570             if (nbat->comb_rule == ljcrNONE)
 571             {
 572                 fprintf(fp,"Using full Lennard-Jones parameter combination matrix\n\n");
 573             }
 574             else
 575             {
 576                 fprintf(fp,"Using %s Lennard-Jones combination rule\n\n",
 577                         nbat->comb_rule==ljcrGEOM ? "geometric" : "Lorentz-Berthelot");
 578             }
 579         }
 580
 581         set_combination_rule_data(nbat);
 582     }
 583     else
 584     {
 585         nbat->comb_rule = ljcrNONE;
 586
 587         nbat->free(nbat->nbfp_comb);
 588     }
 589
 590     nbat->natoms  = 0;
 591     nbat->type    = NULL;
 592     nbat->lj_comb = NULL;
 593     if (simple)
 594     {
 595         switch (nb_kernel_type)
 596         {
 597         case nbk4xN_X86_SIMD128:
 598             nbat->XFormat = nbatX4;
 599             break;
 600         case nbk4xN_X86_SIMD256:
 601 #ifndef GMX_DOUBLE
 602             nbat->XFormat = nbatX8;
 603 #else
 604             nbat->XFormat = nbatX4;
 605 #endif
 606             break;
 607         default:
 608             nbat->XFormat = nbatXYZ;
 609             break;
 610         }
 611
 612         nbat->FFormat = nbat->XFormat;
 613     }
 614     else
 615     {
 616         nbat->XFormat = nbatXYZQ;
 617         nbat->FFormat = nbatXYZ;
 618     }
 619     nbat->q       = NULL;
 620     nbat->nenergrp = n_energygroups;
 621     if (!simple)
 622     {
 623         /* Energy groups not supported yet for super-sub lists */
 624         if (n_energygroups > 1 && fp != NULL)
 625         {
 626             fprintf(fp,"\nNOTE: With GPUs, reporting energy group contributions is not supported\n\n");
 627         }
 628         nbat->nenergrp = 1;
 629     }
 630     /* Temporary storage goes as #grp^3*simd_width^2/2, so limit to 64 */
 631     if (nbat->nenergrp > 64)
 632     {
 633         gmx_fatal(FARGS,"With NxN kernels not more than 64 energy groups are supported\n");
 634     }
 635     nbat->neg_2log = 1;
 636     while (nbat->nenergrp > (1<<nbat->neg_2log))
 637     {
 638         nbat->neg_2log++;
 639     }
 640     nbat->energrp = NULL;
 641     nbat->alloc((void **)&nbat->shift_vec,SHIFTS*sizeof(*nbat->shift_vec));
 642     nbat->xstride = (nbat->XFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 643     nbat->fstride = (nbat->FFormat == nbatXYZQ ? STRIDE_XYZQ : DIM);
 644     nbat->x       = NULL;
 645     nbat->nout    = nout;
 646     snew(nbat->out,nbat->nout);
 647     nbat->nalloc  = 0;
 648     for(i=0; i<nbat->nout; i++)
 649     {
 650         nbnxn_atomdata_output_init(&nbat->out[i],
 651                                    nb_kernel_type,
 652                                    nbat->nenergrp,1<<nbat->neg_2log,
 653                                    nbat->alloc);
 654     }
 655     nbat->buffer_flags.flag        = NULL;
 656     nbat->buffer_flags.flag_nalloc = 0;
 657 }
 658
 659 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(const real *ljparam_type,
 660                                        const int *type,int na,
 661                                        real *ljparam_at)
 662 {
 663     int is,k,i;
 664
 665     /* The LJ params follow the combination rule:
 666      * copy the params for the type array to the atom array.
 667      */
 668     for(is=0; is<na; is+=PACK_X4)
 669     {
 670         for(k=0; k<PACK_X4; k++)
 671         {
 672             i = is + k;
 673             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 674             ljparam_at[is*2+PACK_X4+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 675         }
 676     }
 677 }
 678
 679 static void copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(const real *ljparam_type,
 680                                        const int *type,int na,
 681                                        real *ljparam_at)
 682 {
 683     int is,k,i;
 684
 685     /* The LJ params follow the combination rule:
 686      * copy the params for the type array to the atom array.
 687      */
 688     for(is=0; is<na; is+=PACK_X8)
 689     {
 690         for(k=0; k<PACK_X8; k++)
 691         {
 692             i = is + k;
 693             ljparam_at[is*2        +k] = ljparam_type[type[i]*2  ];
 694             ljparam_at[is*2+PACK_X8+k] = ljparam_type[type[i]*2+1];
 695         }
 696     }
 697 }
 698
 699 /* Sets the atom type and LJ data in nbnxn_atomdata_t */
 700 static void nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 701                                          int ngrid,
 702                                          const nbnxn_search_t nbs,
 703                                          const int *type)
 704 {
 705     int g,i,ncz,ash;
 706     const nbnxn_grid_t *grid;
 707
 708     for(g=0; g<ngrid; g++)
 709     {
 710         grid = &nbs->grid[g];
 711
 712         /* Loop over all columns and copy and fill */
 713         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
 714         {
 715             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 716             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 717
 718             copy_int_to_nbat_int(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
 719                                  type,nbat->ntype-1,nbat->type+ash);
 720
 721             if (nbat->comb_rule != ljcrNONE)
 722             {
 723                 if (nbat->XFormat == nbatX4)
 724                 {
 725                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x4(nbat->nbfp_comb,
 726                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
 727                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 728                 }
 729                 else if (nbat->XFormat == nbatX8)
 730                 {
 731                     copy_lj_to_nbat_lj_comb_x8(nbat->nbfp_comb,
 732                                                nbat->type+ash,ncz*grid->na_sc,
 733                                                nbat->lj_comb+ash*2);
 734                 }
 735             }
 736         }
 737     }
 738 }
 739
 740 /* Sets the charges in nbnxn_atomdata_t *nbat */
 741 static void nbnxn_atomdata_set_charges(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 742                                        int ngrid,
 743                                        const nbnxn_search_t nbs,
 744                                        const real *charge)
 745 {
 746     int  g,cxy,ncz,ash,na,na_round,i,j;
 747     real *q;
 748     const nbnxn_grid_t *grid;
 749
 750     for(g=0; g<ngrid; g++)
 751     {
 752         grid = &nbs->grid[g];
 753
 754         /* Loop over all columns and copy and fill */
 755         for(cxy=0; cxy<grid->ncx*grid->ncy; cxy++)
 756         {
 757             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 758             na  = grid->cxy_na[cxy];
 759             na_round = (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 760
 761             if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
 762             {
 763                 q = nbat->x + ash*STRIDE_XYZQ + ZZ + 1;
 764                 for(i=0; i<na; i++)
 765                 {
 766                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 767                     q += STRIDE_XYZQ;
 768                 }
 769                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 770                 for(; i<na_round; i++)
 771                 {
 772                     *q = 0;
 773                     q += STRIDE_XYZQ;
 774                 }
 775             }
 776             else
 777             {
 778                 q = nbat->q + ash;
 779                 for(i=0; i<na; i++)
 780                 {
 781                     *q = charge[nbs->a[ash+i]];
 782                     q++;
 783                 }
 784                 /* Complete the partially filled last cell with zeros */
 785                 for(; i<na_round; i++)
 786                 {
 787                     *q = 0;
 788                     q++;
 789                 }
 790             }
 791         }
 792     }
 793 }
 794
 795 /* Copies the energy group indices to a reordered and packed array */
 796 static void copy_egp_to_nbat_egps(const int *a,int na,int na_round,
 797                                   int na_c,int bit_shift,
 798                                   const int *in,int *innb)
 799 {
 800     int i,j,sa,at;
 801     int comb;
 802
 803     j = 0;
 804     for(i=0; i<na; i+=na_c)
 805     {
 806         /* Store na_c energy group numbers into one int */
 807         comb = 0;
 808         for(sa=0; sa<na_c; sa++)
 809         {
 810             at = a[i+sa];
 811             if (at >= 0)
 812             {
 813                 comb |= (GET_CGINFO_GID(in[at]) << (sa*bit_shift));
 814             }
 815         }
 816         innb[j++] = comb;
 817     }
 818     /* Complete the partially filled last cell with fill */
 819     for(; i<na_round; i+=na_c)
 820     {
 821         innb[j++] = 0;
 822     }
 823 }
 824
 825 /* Set the energy group indices for atoms in nbnxn_atomdata_t */
 826 static void nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 827                                             int ngrid,
 828                                             const nbnxn_search_t nbs,
 829                                             const int *atinfo)
 830 {
 831     int g,i,ncz,ash;
 832     const nbnxn_grid_t *grid;
 833
 834     for(g=0; g<ngrid; g++)
 835     {
 836         grid = &nbs->grid[g];
 837
 838         /* Loop over all columns and copy and fill */
 839         for(i=0; i<grid->ncx*grid->ncy; i++)
 840         {
 841             ncz = grid->cxy_ind[i+1] - grid->cxy_ind[i];
 842             ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[i])*grid->na_sc;
 843
 844             copy_egp_to_nbat_egps(nbs->a+ash,grid->cxy_na[i],ncz*grid->na_sc,
 845                                   nbat->na_c,nbat->neg_2log,
 846                                   atinfo,nbat->energrp+(ash>>grid->na_c_2log));
 847         }
 848     }
 849 }
 850
 851 /* Sets all required atom parameter data in nbnxn_atomdata_t */
 852 void nbnxn_atomdata_set(nbnxn_atomdata_t *nbat,
 853                         int locality,
 854                         const nbnxn_search_t nbs,
 855                         const t_mdatoms *mdatoms,
 856                         const int *atinfo)
 857 {
 858     int ngrid;
 859
 860     if (locality == eatLocal)
 861     {
 862         ngrid = 1;
 863     }
 864     else
 865     {
 866         ngrid = nbs->ngrid;
 867     }
 868
 869     nbnxn_atomdata_set_atomtypes(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->typeA);
 870
 871     nbnxn_atomdata_set_charges(nbat,ngrid,nbs,mdatoms->chargeA);
 872
 873     if (nbat->nenergrp > 1)
 874     {
 875         nbnxn_atomdata_set_energygroups(nbat,ngrid,nbs,atinfo);
 876     }
 877 }
 878
 879 /* Copies the shift vector array to nbnxn_atomdata_t */
 880 void nbnxn_atomdata_copy_shiftvec(gmx_bool bDynamicBox,
 881                                    rvec *shift_vec,
 882                                    nbnxn_atomdata_t *nbat)
 883 {
 884     int i;
 885
 886     nbat->bDynamicBox = bDynamicBox;
 887     for(i=0; i<SHIFTS; i++)
 888     {
 889         copy_rvec(shift_vec[i],nbat->shift_vec[i]);
 890     }
 891 }
 892
 893 /* Copies (and reorders) the coordinates to nbnxn_atomdata_t */
 894 void nbnxn_atomdata_copy_x_to_nbat_x(const nbnxn_search_t nbs,
 895                                       int locality,
 896                                       gmx_bool FillLocal,
 897                                       rvec *x,
 898                                       nbnxn_atomdata_t *nbat)
 899 {
 900     int g0=0,g1=0;
 901     int nth,th;
 902
 903     switch (locality)
 904     {
 905     case eatAll:
 906         g0 = 0;
 907         g1 = nbs->ngrid;
 908         break;
 909     case eatLocal:
 910         g0 = 0;
 911         g1 = 1;
 912         break;
 913     case eatNonlocal:
 914         g0 = 1;
 915         g1 = nbs->ngrid;
 916         break;
 917     }
 918
 919     if (FillLocal)
 920     {
 921         nbat->natoms_local = nbs->grid[0].nc*nbs->grid[0].na_sc;
 922     }
 923
 924     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
 925
 926 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
 927     for(th=0; th<nth; th++)
 928     {
 929         int g;
 930
 931         for(g=g0; g<g1; g++)
 932         {
 933             const nbnxn_grid_t *grid;
 934             int cxy0,cxy1,cxy;
 935
 936             grid = &nbs->grid[g];
 937
 938             cxy0 = (grid->ncx*grid->ncy* th   +nth-1)/nth;
 939             cxy1 = (grid->ncx*grid->ncy*(th+1)+nth-1)/nth;
 940
 941             for(cxy=cxy0; cxy<cxy1; cxy++)
 942             {
 943                 int na,ash,na_fill;
 944
 945                 na  = grid->cxy_na[cxy];
 946                 ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 947
 948                 if (g == 0 && FillLocal)
 949                 {
 950                     na_fill =
 951                         (grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
 952                 }
 953                 else
 954                 {
 955                     /* We fill only the real particle locations.
 956                      * We assume the filling entries at the end have been
 957                      * properly set before during ns.
 958                      */
 959                     na_fill = na;
 960                 }
 961                 copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+ash,na,na_fill,x,
 962                                        nbat->XFormat,nbat->x,ash,
 963                                        0,0,0);
 964             }
 965         }
 966     }
 967 }
 968
 969 static void
 970 nbnxn_atomdata_clear_reals(real * gmx_restrict dest,
 971                            int i0, int i1)
 972 {
 973     int i;
 974
 975     for(i=i0; i<i1; i++)
 976     {
 977         dest[i] = 0;
 978     }
 979 }
 980
 981 static void
 982 nbnxn_atomdata_reduce_reals(real * gmx_restrict dest,
 983                             gmx_bool bDestSet,
 984                             real ** gmx_restrict src,
 985                             int nsrc,
 986                             int i0, int i1)
 987 {
 988     int i,s;
 989
 990     if (bDestSet)
 991     {
 992         /* The destination buffer contains data, add to it */
 993         for(i=i0; i<i1; i++)
 994         {
 995             for(s=0; s<nsrc; s++)
 996             {
 997                 dest[i] += src[s][i];
 998             }
 999         }
1000     }
1001     else
1002     {
1003         /* The destination buffer is unitialized, set it first */
1004         for(i=i0; i<i1; i++)
1005         {
1006             dest[i] = src[0][i];
1007             for(s=1; s<nsrc; s++)
1008             {
1009                 dest[i] += src[s][i];
1010             }
1011         }
1012     }
1013 }
1014
1015 static void
1016 nbnxn_atomdata_reduce_reals_x86_simd(real * gmx_restrict dest,
1017                                      gmx_bool bDestSet,
1018                                      real ** gmx_restrict src,
1019                                      int nsrc,
1020                                      int i0, int i1)
1021 {
1022 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
1023 /* We can use AVX256 here, but not when AVX128 kernels are selected.
1024  * As this reduction is not faster with AVX256 anyway, we use 128-bit SIMD.
1025  */
1026 #ifdef GMX_X86_AVX_256
1027 #define GMX_MM256_HERE
1028 #else
1029 #define GMX_MM128_HERE
1030 #endif
1031 #include "gmx_x86_simd_macros.h"
1032
1033     int       i,s;
1034     gmx_mm_pr dest_SSE,src_SSE;
1035
1036     if (bDestSet)
1037     {
1038         for(i=i0; i<i1; i+=GMX_X86_SIMD_WIDTH_HERE)
1039         {
1040             dest_SSE = gmx_load_pr(dest+i);
1041             for(s=0; s<nsrc; s++)
1042             {
1043                 src_SSE  = gmx_load_pr(src[s]+i);
1044                 dest_SSE = gmx_add_pr(dest_SSE,src_SSE);
1045             }
1046             gmx_store_pr(dest+i,dest_SSE);
1047         }
1048     }
1049     else
1050     {
1051         for(i=i0; i<i1; i+=GMX_X86_SIMD_WIDTH_HERE)
1052         {
1053             dest_SSE = gmx_load_pr(src[0]+i);
1054             for(s=1; s<nsrc; s++)
1055             {
1056                 src_SSE  = gmx_load_pr(src[s]+i);
1057                 dest_SSE = gmx_add_pr(dest_SSE,src_SSE);
1058             }
1059             gmx_store_pr(dest+i,dest_SSE);
1060         }
1061     }
1062
1063 #undef GMX_MM128_HERE
1064 #undef GMX_MM256_HERE
1065 #endif
1066 }
1067
1068 /* Add part of the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1069 static void
1070 nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(const nbnxn_search_t nbs,
1071                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1072                                     nbnxn_atomdata_output_t *out,
1073                                     int nfa,
1074                                     int a0,int a1,
1075                                     rvec *f)
1076 {
1077     int  a,i,fa;
1078     const int  *cell;
1079     const real *fnb;
1080
1081     cell = nbs->cell;
1082
1083     /* Loop over all columns and copy and fill */
1084     switch (nbat->FFormat)
1085     {
1086     case nbatXYZ:
1087     case nbatXYZQ:
1088         if (nfa == 1)
1089         {
1090             fnb = out[0].f;
1091
1092             for(a=a0; a<a1; a++)
1093             {
1094                 i = cell[a]*nbat->fstride;
1095
1096                 f[a][XX] += fnb[i];
1097                 f[a][YY] += fnb[i+1];
1098                 f[a][ZZ] += fnb[i+2];
1099             }
1100         }
1101         else
1102         {
1103             for(a=a0; a<a1; a++)
1104             {
1105                 i = cell[a]*nbat->fstride;
1106
1107                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1108                 {
1109                     f[a][XX] += out[fa].f[i];
1110                     f[a][YY] += out[fa].f[i+1];
1111                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+2];
1112                 }
1113             }
1114         }
1115         break;
1116     case nbatX4:
1117         if (nfa == 1)
1118         {
1119             fnb = out[0].f;
1120
1121             for(a=a0; a<a1; a++)
1122             {
1123                 i = X4_IND_A(cell[a]);
1124
1125                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X4];
1126                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X4];
1127                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X4];
1128             }
1129         }
1130         else
1131         {
1132             for(a=a0; a<a1; a++)
1133             {
1134                 i = X4_IND_A(cell[a]);
1135
1136                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1137                 {
1138                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X4];
1139                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X4];
1140                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X4];
1141                 }
1142             }
1143         }
1144         break;
1145     case nbatX8:
1146         if (nfa == 1)
1147         {
1148             fnb = out[0].f;
1149
1150             for(a=a0; a<a1; a++)
1151             {
1152                 i = X8_IND_A(cell[a]);
1153
1154                 f[a][XX] += fnb[i+XX*PACK_X8];
1155                 f[a][YY] += fnb[i+YY*PACK_X8];
1156                 f[a][ZZ] += fnb[i+ZZ*PACK_X8];
1157             }
1158         }
1159         else
1160         {
1161             for(a=a0; a<a1; a++)
1162             {
1163                 i = X8_IND_A(cell[a]);
1164
1165                 for(fa=0; fa<nfa; fa++)
1166                 {
1167                     f[a][XX] += out[fa].f[i+XX*PACK_X8];
1168                     f[a][YY] += out[fa].f[i+YY*PACK_X8];
1169                     f[a][ZZ] += out[fa].f[i+ZZ*PACK_X8];
1170                 }
1171             }
1172         }
1173         break;
1174     }
1175 }
1176
1177 /* Add the force array(s) from nbnxn_atomdata_t to f */
1178 void nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f(const nbnxn_search_t nbs,
1179                                     int locality,
1180                                     const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1181                                     rvec *f)
1182 {
1183     int a0=0,na=0;
1184     int nth,th;
1185
1186     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1187
1188     switch (locality)
1189     {
1190     case eatAll:
1191         a0 = 0;
1192         na = nbs->natoms_nonlocal;
1193         break;
1194     case eatLocal:
1195         a0 = 0;
1196         na = nbs->natoms_local;
1197         break;
1198     case eatNonlocal:
1199         a0 = nbs->natoms_local;
1200         na = nbs->natoms_nonlocal - nbs->natoms_local;
1201         break;
1202     }
1203
1204     nth = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
1205
1206     if (nbat->nout > 1)
1207     {
1208         if (locality != eatAll)
1209         {
1210             gmx_incons("add_f_to_f called with nout>1 and locality!=eatAll");
1211         }
1212
1213         /* Reduce the force thread output buffers into buffer 0, before adding
1214          * them to the, differently ordered, "real" force buffer.
1215          */
1216 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1217         for(th=0; th<nth; th++)
1218         {
1219             const nbnxn_buffer_flags_t *flags;
1220             int b0,b1,b;
1221             int i0,i1;
1222             int nfptr;
1223             real *fptr[NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS];
1224             int out;
1225
1226             flags = &nbat->buffer_flags;
1227
1228             /* Calculate the cell-block range for our thread */
1229             b0 = (flags->nflag* th   )/nth;
1230             b1 = (flags->nflag*(th+1))/nth;
1231
1232             for(b=b0; b<b1; b++)
1233             {
1234                 i0 =  b   *NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1235                 i1 = (b+1)*NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE*nbat->fstride;
1236
1237                 nfptr = 0;
1238                 for(out=1; out<nbat->nout; out++)
1239                 {
1240                     if (flags->flag[b] & (1U<<out))
1241                     {
1242                         fptr[nfptr++] = nbat->out[out].f;
1243                     }
1244                 }
1245                 if (nfptr > 0)
1246                 {
1247 #ifdef NBNXN_SEARCH_SSE
1248                     nbnxn_atomdata_reduce_reals_x86_simd
1249 #else
1250                     nbnxn_atomdata_reduce_reals
1251 #endif
1252                                                (nbat->out[0].f,
1253                                                 flags->flag[b] & (1U<<0),
1254                                                 fptr,nfptr,
1255                                                 i0,i1);
1256                 }
1257                 else if (!(flags->flag[b] & (1U<<0)))
1258                 {
1259                     nbnxn_atomdata_clear_reals(nbat->out[0].f,
1260                                                i0,i1);
1261                 }
1262             }
1263         }
1264     }
1265
1266 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1267     for(th=0; th<nth; th++)
1268     {
1269         nbnxn_atomdata_add_nbat_f_to_f_part(nbs,nbat,
1270                                             nbat->out,
1271                                             1,
1272                                             a0+((th+0)*na)/nth,
1273                                             a0+((th+1)*na)/nth,
1274                                             f);
1275     }
1276
1277     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCreducef]);
1278 }
1279
1280 /* Adds the shift forces from nbnxn_atomdata_t to fshift */
1281 void nbnxn_atomdata_add_nbat_fshift_to_fshift(const nbnxn_atomdata_t *nbat,
1282                                               rvec *fshift)
1283 {
1284     const nbnxn_atomdata_output_t *out;
1285     int  th;
1286     int  s;
1287     rvec sum;
1288
1289     out = nbat->out;
1290
1291     for(s=0; s<SHIFTS; s++)
1292     {
1293         clear_rvec(sum);
1294         for(th=0; th<nbat->nout; th++)
1295         {
1296             sum[XX] += out[th].fshift[s*DIM+XX];
1297             sum[YY] += out[th].fshift[s*DIM+YY];
1298             sum[ZZ] += out[th].fshift[s*DIM+ZZ];
1299         }
1300         rvec_inc(fshift[s],sum);
1301     }
1302 }