src/gromacs/mdlib/nbnxn_kernels/nbnxn_kernel_simd_utils_x86_256d.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_256d_h_
  36 #define _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_256d_h_
  37
  38 /* This files contains all functions/macros for the SIMD kernels
  39  * which have explicit dependencies on the j-cluster size and/or SIMD-width.
  40  * The functionality which depends on the j-cluster size is:
  41  *   LJ-parameter lookup
  42  *   force table lookup
  43  *   energy group pair energy storage
  44  */
  45
  46 typedef gmx_simd_real_t gmx_exclfilter;
  47 static const int filter_stride = 2;
  48
  49 /* Transpose 2 double precision registers */
  50 static gmx_inline void
  51 gmx_mm_transpose2_op_pd(__m128d in0, __m128d in1,
  52                         __m128d *out0, __m128d *out1)
  53 {
  54     *out0 = _mm_unpacklo_pd(in0, in1);
  55     *out1 = _mm_unpackhi_pd(in0, in1);
  56 }
  57
  58 /* Sum the elements within each input register and store the sums in out */
  59 static gmx_inline __m256d
  60 gmx_mm_transpose_sum4_pr(__m256d in0, __m256d in1,
  61                          __m256d in2, __m256d in3)
  62 {
  63     in0 = _mm256_hadd_pd(in0, in1);
  64     in2 = _mm256_hadd_pd(in2, in3);
  65
  66     return _mm256_add_pd(_mm256_permute2f128_pd(in0, in2, 0x20), _mm256_permute2f128_pd(in0, in2, 0x31));
  67 }
  68
  69 static gmx_inline __m256
  70 gmx_mm256_invsqrt_ps_single(__m256 x)
  71 {
  72     const __m256 half  = _mm256_set_ps(0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5, 0.5);
  73     const __m256 three = _mm256_set_ps(3.0, 3.0, 3.0, 3.0, 3.0, 3.0, 3.0, 3.0);
  74
  75     __m256       lu = _mm256_rsqrt_ps(x);
  76
  77     return _mm256_mul_ps(half, _mm256_mul_ps(_mm256_sub_ps(three, _mm256_mul_ps(_mm256_mul_ps(lu, lu), x)), lu));
  78 }
  79
  80 /* Put two 128-bit 4-float registers into one 256-bit 8-float register */
  81 static gmx_inline __m256
  82 gmx_2_m128_to_m256(__m128 in0, __m128 in1)
  83 {
  84     return _mm256_insertf128_ps(_mm256_castps128_ps256(in0), in1, 1);
  85 }
  86
  87 /* Put two 128-bit 2-double registers into one 256-bit 4-double register */
  88 static gmx_inline __m256d
  89 gmx_2_m128d_to_m256d(__m128d in0, __m128d in1)
  90 {
  91     return _mm256_insertf128_pd(_mm256_castpd128_pd256(in0), in1, 1);
  92 }
  93
  94 /* Do 2 double precision invsqrt operations.
  95  * Doing the SIMD rsqrt and the first Newton Raphson iteration
  96  * in single precision gives full double precision accuracy.
  97  */
  98 static gmx_inline void
  99 gmx_mm_invsqrt2_pd(__m256d in0, __m256d in1,
 100                    __m256d *out0, __m256d *out1)
 101 {
 102     const __m256d half  = _mm256_set1_pd(0.5);
 103     const __m256d three = _mm256_set1_pd(3.0);
 104     __m256        s, ir;
 105     __m256d       lu0, lu1;
 106
 107     s     =  gmx_2_m128_to_m256(_mm256_cvtpd_ps(in0), _mm256_cvtpd_ps(in1));
 108     ir    = gmx_mm256_invsqrt_ps_single(s);
 109     lu0   = _mm256_cvtps_pd(_mm256_castps256_ps128(ir));
 110     lu1   = _mm256_cvtps_pd(_mm256_extractf128_ps(ir, 1));
 111     *out0 = _mm256_mul_pd(half, _mm256_mul_pd(_mm256_sub_pd(three, _mm256_mul_pd(_mm256_mul_pd(lu0, lu0), in0)), lu0));
 112     *out1 = _mm256_mul_pd(half, _mm256_mul_pd(_mm256_sub_pd(three, _mm256_mul_pd(_mm256_mul_pd(lu1, lu1), in1)), lu1));
 113 }
 114
 115 static gmx_inline void
 116 load_lj_pair_params(const real *nbfp, const int *type, int aj,
 117                     __m256d *c6_S, __m256d *c12_S)
 118 {
 119     __m128d clj_S[UNROLLJ], c6t_S[2], c12t_S[2];
 120     int     p;
 121
 122     for (p = 0; p < UNROLLJ; p++)
 123     {
 124         clj_S[p] = _mm_load_pd(nbfp+type[aj+p]*nbfp_stride);
 125     }
 126     gmx_mm_transpose2_op_pd(clj_S[0], clj_S[1], &c6t_S[0], &c12t_S[0]);
 127     gmx_mm_transpose2_op_pd(clj_S[2], clj_S[3], &c6t_S[1], &c12t_S[1]);
 128     *c6_S  = gmx_2_m128d_to_m256d(c6t_S[0], c6t_S[1]);
 129     *c12_S = gmx_2_m128d_to_m256d(c12t_S[0], c12t_S[1]);
 130 }
 131
 132 /* The load_table functions below are performance critical. They
 133  * always take the ti parameter, which should contain a buffer that
 134  * is aligned with prepare_table_load_buffer(), but it is only used
 135  * with full-width AVX_256. */
 136
 137 static gmx_inline void
 138 load_table_f(const real *tab_coul_F, __m128i ti_S, int *ti,
 139              __m256d *ctab0_S, __m256d *ctab1_S)
 140 {
 141     __m128d ctab_S[4], tr_S[4];
 142     int     j;
 143
 144     _mm_store_si128((__m128i *)ti, ti_S);
 145     for (j = 0; j < 4; j++)
 146     {
 147         ctab_S[j] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+ti[j]);
 148     }
 149     /* Shuffle the force table entries to a convenient order */
 150     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[0], ctab_S[1], &tr_S[0], &tr_S[1]);
 151     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[2], ctab_S[3], &tr_S[2], &tr_S[3]);
 152     *ctab0_S = gmx_2_m128d_to_m256d(tr_S[0], tr_S[2]);
 153     *ctab1_S = gmx_2_m128d_to_m256d(tr_S[1], tr_S[3]);
 154     /* The second force table entry should contain the difference */
 155     *ctab1_S = _mm256_sub_pd(*ctab1_S, *ctab0_S);
 156 }
 157
 158 static gmx_inline void
 159 load_table_f_v(const real *tab_coul_F, const real *tab_coul_V,
 160                __m128i ti_S, int *ti,
 161                __m256d *ctab0_S, __m256d *ctab1_S, __m256d *ctabv_S)
 162 {
 163     __m128d ctab_S[8], tr_S[4];
 164     int     j;
 165
 166     _mm_store_si128((__m128i *)ti, ti_S);
 167     for (j = 0; j < 4; j++)
 168     {
 169         ctab_S[j] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+ti[j]);
 170     }
 171     /* Shuffle the force table entries to a convenient order */
 172     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[0], ctab_S[1], &tr_S[0], &tr_S[1]);
 173     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[2], ctab_S[3], &tr_S[2], &tr_S[3]);
 174     *ctab0_S = gmx_2_m128d_to_m256d(tr_S[0], tr_S[2]);
 175     *ctab1_S = gmx_2_m128d_to_m256d(tr_S[1], tr_S[3]);
 176     /* The second force table entry should contain the difference */
 177     *ctab1_S = _mm256_sub_pd(*ctab1_S, *ctab0_S);
 178
 179     for (j = 0; j < 4; j++)
 180     {
 181         ctab_S[4+j] = _mm_loadu_pd(tab_coul_V+ti[j]);
 182     }
 183     /* Shuffle the energy table entries to a single register */
 184     *ctabv_S = gmx_2_m128d_to_m256d(_mm_shuffle_pd(ctab_S[4], ctab_S[5], _MM_SHUFFLE2(0, 0)), _mm_shuffle_pd(ctab_S[6], ctab_S[7], _MM_SHUFFLE2(0, 0)));
 185 }
 186
 187 static gmx_inline gmx_exclfilter
 188 gmx_load1_exclfilter(int e)
 189 {
 190     return _mm256_castsi256_pd(_mm256_set1_epi32(e));
 191 }
 192
 193 static gmx_inline gmx_exclfilter
 194 gmx_load_exclusion_filter(const unsigned *i)
 195 {
 196     return gmx_simd_load_r((real *) (i));
 197 }
 198
 199 static gmx_inline gmx_simd_bool_t
 200 gmx_checkbitmask_pb(gmx_exclfilter m0, gmx_exclfilter m1)
 201 {
 202     /* With <= 16 bits used the cast and conversion should not be
 203      * required, since only mantissa bits are set and that would give
 204      * a non-zero float, but with the Intel compiler this does not
 205      * work correctly. Because AVX does not have int->double
 206      * conversion, we convert via float. */
 207     return _mm256_cmp_pd(_mm256_castps_pd(_mm256_cvtepi32_ps(_mm256_castpd_si256(_mm256_and_pd(m0, m1)))), _mm256_setzero_pd(), 0x0c);
 208 }
 209
 210 #endif /* _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_s256d_h_ */