src/gromacs/mdlib/nbnxn_kernels/nbnxn_kernel_simd_utils_x86_128d.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35 #ifndef _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_128d_h_
  36 #define _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_128d_h_
  37
  38 #include "gromacs/legacyheaders/types/simple.h"
  39
  40 /* This files contains all functions/macros for the SIMD kernels
  41  * which have explicit dependencies on the j-cluster size and/or SIMD-width.
  42  * The functionality which depends on the j-cluster size is:
  43  *   LJ-parameter lookup
  44  *   force table lookup
  45  *   energy group pair energy storage
  46  */
  47
  48 #define gmx_mm_extract_epi32(x, imm) _mm_cvtsi128_si32(_mm_srli_si128((x), 4 * (imm)))
  49
  50 typedef gmx_simd_int32_t gmx_exclfilter;
  51 /* This is set to a constant for now, since the code does not adapt automatically just
  52  * because we set the SIMD widths to other values.
  53  */
  54 static const int filter_stride = 2;
  55
  56 /* Transpose 2 double precision registers */
  57 static gmx_inline void
  58 gmx_mm_transpose2_op_pd(__m128d in0, __m128d in1,
  59                         __m128d *out0, __m128d *out1)
  60 {
  61     *out0 = _mm_unpacklo_pd(in0, in1);
  62     *out1 = _mm_unpackhi_pd(in0, in1);
  63 }
  64
  65 /* Sum the elements within each input register and store the sums in out */
  66 static gmx_inline __m128d
  67 gmx_mm_transpose_sum2_pr(__m128d in0, __m128d in1)
  68 {
  69     __m128d tr0, tr1;
  70
  71     gmx_mm_transpose2_op_pd(in0, in1, &tr0, &tr1);
  72
  73     return _mm_add_pd(tr0, tr1);
  74 }
  75
  76 static inline __m128
  77 gmx_mm128_invsqrt_ps_single(__m128 x)
  78 {
  79     const __m128 half  = _mm_set_ps(0.5, 0.5, 0.5, 0.5);
  80     const __m128 three = _mm_set_ps(3.0, 3.0, 3.0, 3.0);
  81
  82     __m128       lu = _mm_rsqrt_ps(x);
  83
  84     return _mm_mul_ps(half, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(three, _mm_mul_ps(_mm_mul_ps(lu, lu), x)), lu));
  85 }
  86
  87 /* Do 2 double precision invsqrt operations.
  88  * Doing the SIMD rsqrt and the first Newton Raphson iteration
  89  * in single precision gives full double precision accuracy.
  90  */
  91 static gmx_inline void
  92 gmx_mm_invsqrt2_pd(__m128d in0, __m128d in1,
  93                    __m128d *out0, __m128d *out1)
  94 {
  95     const __m128d half  = _mm_set1_pd(0.5);
  96     const __m128d three = _mm_set1_pd(3.0);
  97     __m128        s, ir;
  98     __m128d       lu0, lu1;
  99
 100     s     = _mm_movelh_ps(_mm_cvtpd_ps(in0), _mm_cvtpd_ps(in1));
 101     ir    = gmx_mm128_invsqrt_ps_single(s);
 102     lu0   = _mm_cvtps_pd(ir);
 103     lu1   = _mm_cvtps_pd(_mm_movehl_ps(ir, ir));
 104     *out0 = _mm_mul_pd(half, _mm_mul_pd(_mm_sub_pd(three, _mm_mul_pd(_mm_mul_pd(lu0, lu0), in0)), lu0));
 105     *out1 = _mm_mul_pd(half, _mm_mul_pd(_mm_sub_pd(three, _mm_mul_pd(_mm_mul_pd(lu1, lu1), in1)), lu1));
 106 }
 107
 108 static gmx_inline void
 109 load_lj_pair_params(const real *nbfp, const int *type, int aj,
 110                     __m128d *c6_S, __m128d *c12_S)
 111 {
 112     __m128d clj_S[UNROLLJ];
 113     int     p;
 114
 115     for (p = 0; p < UNROLLJ; p++)
 116     {
 117         clj_S[p] = _mm_load_pd(nbfp+type[aj+p]*nbfp_stride);
 118     }
 119     gmx_mm_transpose2_op_pd(clj_S[0], clj_S[1], c6_S, c12_S);
 120 }
 121
 122 /* The load_table functions below are performance critical.
 123  * The routines issue UNROLLI*UNROLLJ _mm_load_ps calls.
 124  * As these all have latencies, scheduling is crucial.
 125  * The Intel compilers and CPUs seem to do a good job at this.
 126  * But AMD CPUs perform significantly worse with gcc than with icc.
 127  * Performance is improved a bit by using the extract function UNROLLJ times,
 128  * instead of doing an _mm_store_si128 for every i-particle.
 129  * This is only faster when we use FDV0 formatted tables, where we also need
 130  * to multiple the index by 4, which can be done by a SIMD bit shift.
 131  * With single precision AVX, 8 extracts are much slower than 1 store.
 132  * Because of this, the load_table_f function always takes the ti
 133  * parameter, which should contain a buffer that is aligned with
 134  * prepare_table_load_buffer(), but it is only used with full-width
 135  * AVX_256. */
 136
 137 static gmx_inline void
 138 load_table_f(const real *tab_coul_F, gmx_simd_int32_t ti_S, int gmx_unused *ti,
 139              __m128d *ctab0_S, __m128d *ctab1_S)
 140 {
 141     int     idx[2];
 142     __m128d ctab_S[2];
 143
 144     /* Without SSE4.1 the extract macro needs an immediate: unroll */
 145     idx[0]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 0);
 146     ctab_S[0] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[0]);
 147     idx[1]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 1);
 148     ctab_S[1] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[1]);
 149
 150     /* Shuffle the force table entries to a convenient order */
 151     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[0], ctab_S[1], ctab0_S, ctab1_S);
 152     /* The second force table entry should contain the difference */
 153     *ctab1_S = _mm_sub_pd(*ctab1_S, *ctab0_S);
 154 }
 155
 156 static gmx_inline void
 157 load_table_f_v(const real *tab_coul_F, const real *tab_coul_V,
 158                gmx_simd_int32_t ti_S, int gmx_unused *ti,
 159                __m128d *ctab0_S, __m128d *ctab1_S, __m128d *ctabv_S)
 160 {
 161     int     idx[2];
 162     __m128d ctab_S[4];
 163
 164     /* Without SSE4.1 the extract macro needs an immediate: unroll */
 165     idx[0]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 0);
 166     ctab_S[0] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[0]);
 167     idx[1]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 1);
 168     ctab_S[1] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[1]);
 169
 170     /* Shuffle the force table entries to a convenient order */
 171     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[0], ctab_S[1], ctab0_S, ctab1_S);
 172     /* The second force table entry should contain the difference */
 173     *ctab1_S = _mm_sub_pd(*ctab1_S, *ctab0_S);
 174
 175     ctab_S[2] = _mm_loadu_pd(tab_coul_V+idx[0]);
 176     ctab_S[3] = _mm_loadu_pd(tab_coul_V+idx[1]);
 177
 178     /* Shuffle the energy table entries to a single register */
 179     *ctabv_S = _mm_shuffle_pd(ctab_S[2], ctab_S[3], _MM_SHUFFLE2(0, 0));
 180 }
 181
 182 static gmx_inline gmx_exclfilter
 183 gmx_load1_exclfilter(int e)
 184 {
 185     return _mm_set1_epi32(e);
 186 }
 187
 188 static gmx_inline gmx_exclfilter
 189 gmx_load_exclusion_filter(const unsigned *i)
 190 {
 191     /* For now this has to be an explicit-float load since we use stride==2 */
 192     return gmx_simd_load_fi(i);
 193 }
 194
 195 static gmx_inline gmx_simd_bool_t
 196 gmx_checkbitmask_pb(gmx_exclfilter m0, gmx_exclfilter m1)
 197 {
 198     return _mm_castsi128_pd(_mm_cmpeq_epi32(_mm_andnot_si128(m0, m1), _mm_setzero_si128()));
 199 }
 200
 201 #endif /* _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_s128d_h_ */