src/gromacs/mdlib/update.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014,2015,2016,2017 by the GROMACS development team.
   7  * Copyright (c) 2018,2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   8  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   9  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
  10  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  11  *
  12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  15  * of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  20  * Lesser General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  23  * License along with GROMACS; if not, see
  24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  26  *
  27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  28  * consider that scientific software is very special. Version
  29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  33  * official version at http://www.gromacs.org.
  34  *
  35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  37  */
  38 #include "gmxpre.h"
  39
  40 #include "update.h"
  41
  42 #include <cmath>
  43 #include <cstdio>
  44
  45 #include <algorithm>
  46 #include <memory>
  47
  48 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  49 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  50 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  51 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
  52 #include "gromacs/listed_forces/disre.h"
  53 #include "gromacs/listed_forces/orires.h"
  54 #include "gromacs/math/functions.h"
  55 #include "gromacs/math/invertmatrix.h"
  56 #include "gromacs/math/paddedvector.h"
  57 #include "gromacs/math/units.h"
  58 #include "gromacs/math/vec.h"
  59 #include "gromacs/math/vecdump.h"
  60 #include "gromacs/mdlib/boxdeformation.h"
  61 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
  62 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  63 #include "gromacs/mdlib/mdatoms.h"
  64 #include "gromacs/mdlib/stat.h"
  65 #include "gromacs/mdlib/tgroup.h"
  66 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  67 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  68 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  69 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  70 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  71 #include "gromacs/pbcutil/boxutilities.h"
  72 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  73 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  74 #include "gromacs/pulling/pull.h"
  75 #include "gromacs/random/tabulatednormaldistribution.h"
  76 #include "gromacs/random/threefry.h"
  77 #include "gromacs/simd/simd.h"
  78 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  79 #include "gromacs/topology/atoms.h"
  80 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  81 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  82 #include "gromacs/utility/futil.h"
  83 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  84 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  85 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  86
  87 using namespace gmx; // TODO: Remove when this file is moved into gmx namespace
  88
  89 struct gmx_sd_const_t
  90 {
  91     double em = 0;
  92 };
  93
  94 struct gmx_sd_sigma_t
  95 {
  96     real V = 0;
  97 };
  98
  99 struct gmx_stochd_t
 100 {
 101     /* BD stuff */
 102     std::vector<real> bd_rf;
 103     /* SD stuff */
 104     std::vector<gmx_sd_const_t> sdc;
 105     std::vector<gmx_sd_sigma_t> sdsig;
 106     /* andersen temperature control stuff */
 107     std::vector<bool> randomize_group;
 108     std::vector<real> boltzfac;
 109
 110     explicit gmx_stochd_t(const t_inputrec* ir);
 111 };
 112
 113 //! pImpled implementation for Update
 114 class Update::Impl
 115 {
 116 public:
 117     //! Constructor
 118     Impl(const t_inputrec* ir, BoxDeformation* boxDeformation);
 119     //! Destructor
 120     ~Impl() = default;
 121     //! stochastic dynamics struct
 122     std::unique_ptr<gmx_stochd_t> sd;
 123     //! xprime for constraint algorithms
 124     PaddedVector<RVec> xp;
 125     //! Box deformation handler (or nullptr if inactive).
 126     BoxDeformation* deform = nullptr;
 127 };
 128
 129 Update::Update(const t_inputrec* ir, BoxDeformation* boxDeformation) :
 130     impl_(new Impl(ir, boxDeformation)){};
 131
 132 Update::~Update(){};
 133
 134 gmx_stochd_t* Update::sd() const
 135 {
 136     return impl_->sd.get();
 137 }
 138
 139 PaddedVector<RVec>* Update::xp()
 140 {
 141     return &impl_->xp;
 142 }
 143
 144 BoxDeformation* Update::deform() const
 145 {
 146     return impl_->deform;
 147 }
 148
 149 /*! \brief Sets the velocities of virtual sites to zero */
 150 static void clearVsiteVelocities(int start, int nrend, const unsigned short* particleType, rvec* gmx_restrict v)
 151 {
 152     for (int a = start; a < nrend; a++)
 153     {
 154         if (particleType[a] == eptVSite)
 155         {
 156             clear_rvec(v[a]);
 157         }
 158     }
 159 }
 160
 161 /*! \brief Sets the number of different temperature coupling values */
 162 enum class NumTempScaleValues
 163 {
 164     single,  //!< Single T-scaling value (either one group or all values =1)
 165     multiple //!< Multiple T-scaling values, need to use T-group indices
 166 };
 167
 168 /*! \brief Sets if to apply no or diagonal Parrinello-Rahman pressure scaling
 169  *
 170  * Note that this enum is only used in updateMDLeapfrogSimple(), which does
 171  * not handle fully anistropic Parrinello-Rahman scaling, so we only have
 172  * options \p no and \p diagonal here and no anistropic option.
 173  */
 174 enum class ApplyParrinelloRahmanVScaling
 175 {
 176     no,      //!< Do not apply velocity scaling (not a PR-coupling run or step)
 177     diagonal //!< Apply velocity scaling using a diagonal matrix
 178 };
 179
 180 /*! \brief Integrate using leap-frog with T-scaling and optionally diagonal Parrinello-Rahman p-coupling
 181  *
 182  * \tparam       numTempScaleValues     The number of different T-couple values
 183  * \tparam       applyPRVScaling        Apply Parrinello-Rahman velocity scaling
 184  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 185  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 186  * \param[in]    dt                     The time step
 187  * \param[in]    dtPressureCouple       Time step for pressure coupling
 188  * \param[in]    invMassPerDim          1/mass per atom and dimension
 189  * \param[in]    tcstat                 Temperature coupling information
 190  * \param[in]    cTC                    T-coupling group index per atom
 191  * \param[in]    pRVScaleMatrixDiagonal Parrinello-Rahman v-scale matrix diagonal
 192  * \param[in]    x                      Input coordinates
 193  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 194  * \param[inout] v                      Velocities
 195  * \param[in]    f                      Forces
 196  *
 197  * We expect this template to get good SIMD acceleration by most compilers,
 198  * unlike the more complex general template.
 199  * Note that we might get even better SIMD acceleration when we introduce
 200  * aligned (and padded) memory, possibly with some hints for the compilers.
 201  */
 202 template<NumTempScaleValues numTempScaleValues, ApplyParrinelloRahmanVScaling applyPRVScaling>
 203 static void updateMDLeapfrogSimple(int         start,
 204                                    int         nrend,
 205                                    real        dt,
 206                                    real        dtPressureCouple,
 207                                    const rvec* gmx_restrict          invMassPerDim,
 208                                    gmx::ArrayRef<const t_grp_tcstat> tcstat,
 209                                    const unsigned short*             cTC,
 210                                    const rvec                        pRVScaleMatrixDiagonal,
 211                                    const rvec* gmx_restrict x,
 212                                    rvec* gmx_restrict xprime,
 213                                    rvec* gmx_restrict v,
 214                                    const rvec* gmx_restrict f)
 215 {
 216     real lambdaGroup;
 217
 218     if (numTempScaleValues == NumTempScaleValues::single)
 219     {
 220         lambdaGroup = tcstat[0].lambda;
 221     }
 222
 223     for (int a = start; a < nrend; a++)
 224     {
 225         if (numTempScaleValues == NumTempScaleValues::multiple)
 226         {
 227             lambdaGroup = tcstat[cTC[a]].lambda;
 228         }
 229
 230         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 231         {
 232             /* Note that using rvec invMassPerDim results in more efficient
 233              * SIMD code, but this increases the cache pressure.
 234              * For large systems with PME on the CPU this slows down the
 235              * (then already slow) update by 20%. If all data remains in cache,
 236              * using rvec is much faster.
 237              */
 238             real vNew = lambdaGroup * v[a][d] + f[a][d] * invMassPerDim[a][d] * dt;
 239
 240             if (applyPRVScaling == ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal)
 241             {
 242                 vNew -= dtPressureCouple * pRVScaleMatrixDiagonal[d] * v[a][d];
 243             }
 244             v[a][d]      = vNew;
 245             xprime[a][d] = x[a][d] + vNew * dt;
 246         }
 247     }
 248 }
 249
 250 #if GMX_SIMD && GMX_SIMD_HAVE_REAL
 251 #    define GMX_HAVE_SIMD_UPDATE 1
 252 #else
 253 #    define GMX_HAVE_SIMD_UPDATE 0
 254 #endif
 255
 256 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 257
 258 /*! \brief Load (aligned) the contents of GMX_SIMD_REAL_WIDTH rvec elements sequentially into 3 SIMD registers
 259  *
 260  * The loaded output is:
 261  * \p r0: { r[index][XX], r[index][YY], ... }
 262  * \p r1: { ... }
 263  * \p r2: { ..., r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1][YY], r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1][ZZ] }
 264  *
 265  * \param[in]  r      Real to an rvec array, has to be aligned to SIMD register width
 266  * \param[in]  index  Index of the first rvec triplet of reals to load
 267  * \param[out] r0     Pointer to first SIMD register
 268  * \param[out] r1     Pointer to second SIMD register
 269  * \param[out] r2     Pointer to third SIMD register
 270  */
 271 static inline void simdLoadRvecs(const rvec* r, int index, SimdReal* r0, SimdReal* r1, SimdReal* r2)
 272 {
 273     const real* realPtr = r[index];
 274
 275     GMX_ASSERT(isSimdAligned(realPtr), "Pointer should be SIMD aligned");
 276
 277     *r0 = simdLoad(realPtr + 0 * GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 278     *r1 = simdLoad(realPtr + 1 * GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 279     *r2 = simdLoad(realPtr + 2 * GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 280 }
 281
 282 /*! \brief Store (aligned) 3 SIMD registers sequentially to GMX_SIMD_REAL_WIDTH rvec elements
 283  *
 284  * The stored output is:
 285  * \p r[index] = { { r0[0], r0[1], ... }
 286  * ...
 287  * \p r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1] =  { ... , r2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH-2], r2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1] }
 288  *
 289  * \param[out] r      Pointer to an rvec array, has to be aligned to SIMD register width
 290  * \param[in]  index  Index of the first rvec triplet of reals to store to
 291  * \param[in]  r0     First SIMD register
 292  * \param[in]  r1     Second SIMD register
 293  * \param[in]  r2     Third SIMD register
 294  */
 295 static inline void simdStoreRvecs(rvec* r, int index, SimdReal r0, SimdReal r1, SimdReal r2)
 296 {
 297     real* realPtr = r[index];
 298
 299     GMX_ASSERT(isSimdAligned(realPtr), "Pointer should be SIMD aligned");
 300
 301     store(realPtr + 0 * GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r0);
 302     store(realPtr + 1 * GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r1);
 303     store(realPtr + 2 * GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r2);
 304 }
 305
 306 /*! \brief Integrate using leap-frog with single group T-scaling and SIMD
 307  *
 308  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 309  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 310  * \param[in]    dt                     The time step
 311  * \param[in]    invMass                1/mass per atom
 312  * \param[in]    tcstat                 Temperature coupling information
 313  * \param[in]    x                      Input coordinates
 314  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 315  * \param[inout] v                      Velocities
 316  * \param[in]    f                      Forces
 317  */
 318 static void updateMDLeapfrogSimpleSimd(int         start,
 319                                        int         nrend,
 320                                        real        dt,
 321                                        const real* gmx_restrict          invMass,
 322                                        gmx::ArrayRef<const t_grp_tcstat> tcstat,
 323                                        const rvec* gmx_restrict x,
 324                                        rvec* gmx_restrict xprime,
 325                                        rvec* gmx_restrict v,
 326                                        const rvec* gmx_restrict f)
 327 {
 328     SimdReal timestep(dt);
 329     SimdReal lambdaSystem(tcstat[0].lambda);
 330
 331     /* We declare variables here, since code is often slower when declaring them inside the loop */
 332
 333     /* Note: We should implement a proper PaddedVector, so we don't need this check */
 334     GMX_ASSERT(isSimdAligned(invMass), "invMass should be aligned");
 335
 336     for (int a = start; a < nrend; a += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 337     {
 338         SimdReal invMass0, invMass1, invMass2;
 339         expandScalarsToTriplets(simdLoad(invMass + a), &invMass0, &invMass1, &invMass2);
 340
 341         SimdReal v0, v1, v2;
 342         SimdReal f0, f1, f2;
 343         simdLoadRvecs(v, a, &v0, &v1, &v2);
 344         simdLoadRvecs(f, a, &f0, &f1, &f2);
 345
 346         v0 = fma(f0 * invMass0, timestep, lambdaSystem * v0);
 347         v1 = fma(f1 * invMass1, timestep, lambdaSystem * v1);
 348         v2 = fma(f2 * invMass2, timestep, lambdaSystem * v2);
 349
 350         simdStoreRvecs(v, a, v0, v1, v2);
 351
 352         SimdReal x0, x1, x2;
 353         simdLoadRvecs(x, a, &x0, &x1, &x2);
 354
 355         SimdReal xprime0 = fma(v0, timestep, x0);
 356         SimdReal xprime1 = fma(v1, timestep, x1);
 357         SimdReal xprime2 = fma(v2, timestep, x2);
 358
 359         simdStoreRvecs(xprime, a, xprime0, xprime1, xprime2);
 360     }
 361 }
 362
 363 #endif // GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 364
 365 /*! \brief Sets the NEMD acceleration type */
 366 enum class AccelerationType
 367 {
 368     none,
 369     group,
 370     cosine
 371 };
 372
 373 /*! \brief Integrate using leap-frog with support for everything
 374  *
 375  * \tparam       accelerationType       Type of NEMD acceleration
 376  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 377  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 378  * \param[in]    doNoseHoover           If to apply Nose-Hoover T-coupling
 379  * \param[in]    dt                     The time step
 380  * \param[in]    dtPressureCouple       Time step for pressure coupling, is 0 when no pressure
 381  * coupling should be applied at this step \param[in]    ir                     The input parameter
 382  * record \param[in]    md                     Atom properties \param[in]    ekind Kinetic energy
 383  * data \param[in]    box                    The box dimensions \param[in]    x Input coordinates \param[out]
 384  * xprime                 Updated coordinates \param[inout] v                      Velocities \param[in]
 385  * f                      Forces \param[in]    nh_vxi                 Nose-Hoover velocity scaling
 386  * factors \param[in]    M                      Parrinello-Rahman scaling matrix
 387  */
 388 template<AccelerationType accelerationType>
 389 static void updateMDLeapfrogGeneral(int                   start,
 390                                     int                   nrend,
 391                                     bool                  doNoseHoover,
 392                                     real                  dt,
 393                                     real                  dtPressureCouple,
 394                                     const t_inputrec*     ir,
 395                                     const t_mdatoms*      md,
 396                                     const gmx_ekindata_t* ekind,
 397                                     const matrix          box,
 398                                     const rvec* gmx_restrict x,
 399                                     rvec* gmx_restrict xprime,
 400                                     rvec* gmx_restrict v,
 401                                     const rvec* gmx_restrict f,
 402                                     const double* gmx_restrict nh_vxi,
 403                                     const matrix               M)
 404 {
 405     /* This is a version of the leap-frog integrator that supports
 406      * all combinations of T-coupling, P-coupling and NEMD.
 407      * Nose-Hoover uses the reversible leap-frog integrator from
 408      * Holian et al. Phys Rev E 52(3) : 2338, 1995
 409      */
 410
 411     gmx::ArrayRef<const t_grp_tcstat> tcstat  = ekind->tcstat;
 412     gmx::ArrayRef<const t_grp_acc>    grpstat = ekind->grpstat;
 413     const unsigned short*             cTC     = md->cTC;
 414     const unsigned short*             cACC    = md->cACC;
 415     const rvec*                       accel   = ir->opts.acc;
 416
 417     const rvec* gmx_restrict invMassPerDim = md->invMassPerDim;
 418
 419     /* Initialize group values, changed later when multiple groups are used */
 420     int  ga       = 0;
 421     int  gt       = 0;
 422     real factorNH = 0;
 423
 424     real omega_Z = 2 * static_cast<real>(M_PI) / box[ZZ][ZZ];
 425
 426     for (int n = start; n < nrend; n++)
 427     {
 428         if (cTC)
 429         {
 430             gt = cTC[n];
 431         }
 432         real lg = tcstat[gt].lambda;
 433
 434         rvec vRel;
 435         real cosineZ, vCosine;
 436 #ifdef __INTEL_COMPILER
 437 #    pragma warning(disable : 280)
 438 #endif
 439         switch (accelerationType)
 440         {
 441             case AccelerationType::none: copy_rvec(v[n], vRel); break;
 442             case AccelerationType::group:
 443                 if (cACC)
 444                 {
 445                     ga = cACC[n];
 446                 }
 447                 /* Avoid scaling the group velocity */
 448                 rvec_sub(v[n], grpstat[ga].u, vRel);
 449                 break;
 450             case AccelerationType::cosine:
 451                 cosineZ = std::cos(x[n][ZZ] * omega_Z);
 452                 vCosine = cosineZ * ekind->cosacc.vcos;
 453                 /* Avoid scaling the cosine profile velocity */
 454                 copy_rvec(v[n], vRel);
 455                 vRel[XX] -= vCosine;
 456                 break;
 457         }
 458
 459         if (doNoseHoover)
 460         {
 461             /* Here we account for multiple time stepping, by increasing
 462              * the Nose-Hoover correction by nsttcouple
 463              */
 464             factorNH = 0.5 * ir->nsttcouple * dt * nh_vxi[gt];
 465         }
 466
 467         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 468         {
 469             real vNew = (lg * vRel[d]
 470                          + (f[n][d] * invMassPerDim[n][d] * dt - factorNH * vRel[d]
 471                             - dtPressureCouple * iprod(M[d], vRel)))
 472                         / (1 + factorNH);
 473             switch (accelerationType)
 474             {
 475                 case AccelerationType::none: break;
 476                 case AccelerationType::group:
 477                     /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 478                     vNew += grpstat[ga].u[d] + accel[ga][d] * dt;
 479                     break;
 480                 case AccelerationType::cosine:
 481                     if (d == XX)
 482                     {
 483                         /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 484                         vNew += vCosine + cosineZ * ekind->cosacc.cos_accel * dt;
 485                     }
 486                     break;
 487             }
 488             v[n][d]      = vNew;
 489             xprime[n][d] = x[n][d] + vNew * dt;
 490         }
 491     }
 492 }
 493
 494 /*! \brief Handles the Leap-frog MD x and v integration */
 495 static void do_update_md(int                   start,
 496                          int                   nrend,
 497                          int64_t               step,
 498                          real                  dt,
 499                          const t_inputrec*     ir,
 500                          const t_mdatoms*      md,
 501                          const gmx_ekindata_t* ekind,
 502                          const matrix          box,
 503                          const rvec* gmx_restrict x,
 504                          rvec* gmx_restrict xprime,
 505                          rvec* gmx_restrict v,
 506                          const rvec* gmx_restrict f,
 507                          const double* gmx_restrict nh_vxi,
 508                          const matrix               M)
 509 {
 510     GMX_ASSERT(nrend == start || xprime != x,
 511                "For SIMD optimization certain compilers need to have xprime != x");
 512     GMX_ASSERT(ir->eI == eiMD,
 513                "Leap-frog integrator was called while another integrator was requested");
 514
 515     /* Note: Berendsen pressure scaling is handled after do_update_md() */
 516     bool doTempCouple = (ir->etc != etcNO && do_per_step(step + ir->nsttcouple - 1, ir->nsttcouple));
 517     bool doNoseHoover = (ir->etc == etcNOSEHOOVER && doTempCouple);
 518     bool doParrinelloRahman =
 519             (ir->epc == epcPARRINELLORAHMAN && do_per_step(step + ir->nstpcouple - 1, ir->nstpcouple));
 520     bool doPROffDiagonal = (doParrinelloRahman && (M[YY][XX] != 0 || M[ZZ][XX] != 0 || M[ZZ][YY] != 0));
 521
 522     real dtPressureCouple = (doParrinelloRahman ? ir->nstpcouple * dt : 0);
 523
 524     /* NEMD (also cosine) acceleration is applied in updateMDLeapFrogGeneral */
 525     bool doAcceleration = (ekind->bNEMD || ekind->cosacc.cos_accel != 0);
 526
 527     if (doNoseHoover || doPROffDiagonal || doAcceleration)
 528     {
 529         matrix stepM;
 530         if (!doParrinelloRahman)
 531         {
 532             /* We should not apply PR scaling at this step */
 533             clear_mat(stepM);
 534         }
 535         else
 536         {
 537             copy_mat(M, stepM);
 538         }
 539
 540         if (!doAcceleration)
 541         {
 542             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::none>(start, nrend, doNoseHoover, dt,
 543                                                             dtPressureCouple, ir, md, ekind, box, x,
 544                                                             xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 545         }
 546         else if (ekind->bNEMD)
 547         {
 548             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::group>(start, nrend, doNoseHoover, dt,
 549                                                              dtPressureCouple, ir, md, ekind, box,
 550                                                              x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 551         }
 552         else
 553         {
 554             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::cosine>(start, nrend, doNoseHoover, dt,
 555                                                               dtPressureCouple, ir, md, ekind, box,
 556                                                               x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 557         }
 558     }
 559     else
 560     {
 561         /* Use a simple and thus more efficient integration loop. */
 562         /* The simple loop does not check for particle type (so it can
 563          * be vectorized), which means we need to clear the velocities
 564          * of virtual sites in advance, when present. Note that vsite
 565          * velocities are computed after update and constraints from
 566          * their displacement.
 567          */
 568         if (md->haveVsites)
 569         {
 570             /* Note: The overhead of this loop is completely neligible */
 571             clearVsiteVelocities(start, nrend, md->ptype, v);
 572         }
 573
 574         /* We determine if we have a single T-coupling lambda value for all
 575          * atoms. That allows for better SIMD acceleration in the template.
 576          * If we do not do temperature coupling (in the run or this step),
 577          * all scaling values are 1, so we effectively have a single value.
 578          */
 579         bool haveSingleTempScaleValue = (!doTempCouple || ekind->ngtc == 1);
 580
 581         /* Extract some pointers needed by all cases */
 582         const unsigned short*             cTC           = md->cTC;
 583         gmx::ArrayRef<const t_grp_tcstat> tcstat        = ekind->tcstat;
 584         const rvec*                       invMassPerDim = md->invMassPerDim;
 585
 586         if (doParrinelloRahman)
 587         {
 588             GMX_ASSERT(!doPROffDiagonal,
 589                        "updateMDLeapfrogSimple only support diagonal Parrinello-Rahman scaling "
 590                        "matrices");
 591
 592             rvec diagM;
 593             for (int d = 0; d < DIM; d++)
 594             {
 595                 diagM[d] = M[d][d];
 596             }
 597
 598             if (haveSingleTempScaleValue)
 599             {
 600                 updateMDLeapfrogSimple<NumTempScaleValues::single, ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>(
 601                         start, nrend, dt, dtPressureCouple, invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x,
 602                         xprime, v, f);
 603             }
 604             else
 605             {
 606                 updateMDLeapfrogSimple<NumTempScaleValues::multiple, ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>(
 607                         start, nrend, dt, dtPressureCouple, invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x,
 608                         xprime, v, f);
 609             }
 610         }
 611         else
 612         {
 613             if (haveSingleTempScaleValue)
 614             {
 615                 /* Note that modern compilers are pretty good at vectorizing
 616                  * updateMDLeapfrogSimple(). But the SIMD version will still
 617                  * be faster because invMass lowers the cache pressure
 618                  * compared to invMassPerDim.
 619                  */
 620 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 621                 /* Check if we can use invmass instead of invMassPerDim */
 622                 if (!md->havePartiallyFrozenAtoms)
 623                 {
 624                     updateMDLeapfrogSimpleSimd(start, nrend, dt, md->invmass, tcstat, x, xprime, v, f);
 625                 }
 626                 else
 627 #endif
 628                 {
 629                     updateMDLeapfrogSimple<NumTempScaleValues::single, ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>(
 630                             start, nrend, dt, dtPressureCouple, invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr,
 631                             x, xprime, v, f);
 632                 }
 633             }
 634             else
 635             {
 636                 updateMDLeapfrogSimple<NumTempScaleValues::multiple, ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>(
 637                         start, nrend, dt, dtPressureCouple, invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr, x,
 638                         xprime, v, f);
 639             }
 640         }
 641     }
 642 }
 643
 644 static void do_update_vv_vel(int                  start,
 645                              int                  nrend,
 646                              real                 dt,
 647                              const rvec           accel[],
 648                              const ivec           nFreeze[],
 649                              const real           invmass[],
 650                              const unsigned short ptype[],
 651                              const unsigned short cFREEZE[],
 652                              const unsigned short cACC[],
 653                              rvec                 v[],
 654                              const rvec           f[],
 655                              gmx_bool             bExtended,
 656                              real                 veta,
 657                              real                 alpha)
 658 {
 659     int  gf = 0, ga = 0;
 660     int  n, d;
 661     real g, mv1, mv2;
 662
 663     if (bExtended)
 664     {
 665         g   = 0.25 * dt * veta * alpha;
 666         mv1 = std::exp(-g);
 667         mv2 = gmx::series_sinhx(g);
 668     }
 669     else
 670     {
 671         mv1 = 1.0;
 672         mv2 = 1.0;
 673     }
 674     for (n = start; n < nrend; n++)
 675     {
 676         real w_dt = invmass[n] * dt;
 677         if (cFREEZE)
 678         {
 679             gf = cFREEZE[n];
 680         }
 681         if (cACC)
 682         {
 683             ga = cACC[n];
 684         }
 685
 686         for (d = 0; d < DIM; d++)
 687         {
 688             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 689             {
 690                 v[n][d] = mv1 * (mv1 * v[n][d] + 0.5 * (w_dt * mv2 * f[n][d])) + 0.5 * accel[ga][d] * dt;
 691             }
 692             else
 693             {
 694                 v[n][d] = 0.0;
 695             }
 696         }
 697     }
 698 } /* do_update_vv_vel */
 699
 700 static void do_update_vv_pos(int                  start,
 701                              int                  nrend,
 702                              real                 dt,
 703                              const ivec           nFreeze[],
 704                              const unsigned short ptype[],
 705                              const unsigned short cFREEZE[],
 706                              const rvec           x[],
 707                              rvec                 xprime[],
 708                              const rvec           v[],
 709                              gmx_bool             bExtended,
 710                              real                 veta)
 711 {
 712     int  gf = 0;
 713     int  n, d;
 714     real g, mr1, mr2;
 715
 716     /* Would it make more sense if Parrinello-Rahman was put here? */
 717     if (bExtended)
 718     {
 719         g   = 0.5 * dt * veta;
 720         mr1 = std::exp(g);
 721         mr2 = gmx::series_sinhx(g);
 722     }
 723     else
 724     {
 725         mr1 = 1.0;
 726         mr2 = 1.0;
 727     }
 728
 729     for (n = start; n < nrend; n++)
 730     {
 731
 732         if (cFREEZE)
 733         {
 734             gf = cFREEZE[n];
 735         }
 736
 737         for (d = 0; d < DIM; d++)
 738         {
 739             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 740             {
 741                 xprime[n][d] = mr1 * (mr1 * x[n][d] + mr2 * dt * v[n][d]);
 742             }
 743             else
 744             {
 745                 xprime[n][d] = x[n][d];
 746             }
 747         }
 748     }
 749 } /* do_update_vv_pos */
 750
 751 gmx_stochd_t::gmx_stochd_t(const t_inputrec* ir)
 752 {
 753     const t_grpopts* opts = &ir->opts;
 754     const int        ngtc = opts->ngtc;
 755
 756     if (ir->eI == eiBD)
 757     {
 758         bd_rf.resize(ngtc);
 759     }
 760     else if (EI_SD(ir->eI))
 761     {
 762         sdc.resize(ngtc);
 763         sdsig.resize(ngtc);
 764
 765         for (int gt = 0; gt < ngtc; gt++)
 766         {
 767             if (opts->tau_t[gt] > 0)
 768             {
 769                 sdc[gt].em = std::exp(-ir->delta_t / opts->tau_t[gt]);
 770             }
 771             else
 772             {
 773                 /* No friction and noise on this group */
 774                 sdc[gt].em = 1;
 775             }
 776         }
 777     }
 778     else if (ETC_ANDERSEN(ir->etc))
 779     {
 780         randomize_group.resize(ngtc);
 781         boltzfac.resize(ngtc);
 782
 783         /* for now, assume that all groups, if randomized, are randomized at the same rate, i.e. tau_t is the same. */
 784         /* since constraint groups don't necessarily match up with temperature groups! This is checked in readir.c */
 785
 786         for (int gt = 0; gt < ngtc; gt++)
 787         {
 788             real reft = std::max<real>(0, opts->ref_t[gt]);
 789             if ((opts->tau_t[gt] > 0)
 790                 && (reft > 0)) /* tau_t or ref_t = 0 means that no randomization is done */
 791             {
 792                 randomize_group[gt] = true;
 793                 boltzfac[gt]        = BOLTZ * opts->ref_t[gt];
 794             }
 795             else
 796             {
 797                 randomize_group[gt] = false;
 798             }
 799         }
 800     }
 801 }
 802
 803 void update_temperature_constants(gmx_stochd_t* sd, const t_inputrec* ir)
 804 {
 805     if (ir->eI == eiBD)
 806     {
 807         if (ir->bd_fric != 0)
 808         {
 809             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 810             {
 811                 sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0 * BOLTZ * ir->opts.ref_t[gt] / (ir->bd_fric * ir->delta_t));
 812             }
 813         }
 814         else
 815         {
 816             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 817             {
 818                 sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0 * BOLTZ * ir->opts.ref_t[gt]);
 819             }
 820         }
 821     }
 822     if (ir->eI == eiSD1)
 823     {
 824         for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 825         {
 826             real kT = BOLTZ * ir->opts.ref_t[gt];
 827             /* The mass is accounted for later, since this differs per atom */
 828             sd->sdsig[gt].V = std::sqrt(kT * (1 - sd->sdc[gt].em * sd->sdc[gt].em));
 829         }
 830     }
 831 }
 832
 833 Update::Impl::Impl(const t_inputrec* ir, BoxDeformation* boxDeformation)
 834 {
 835     sd = std::make_unique<gmx_stochd_t>(ir);
 836     update_temperature_constants(sd.get(), ir);
 837     xp.resizeWithPadding(0);
 838     deform = boxDeformation;
 839 }
 840
 841 void Update::setNumAtoms(int nAtoms)
 842 {
 843
 844     impl_->xp.resizeWithPadding(nAtoms);
 845 }
 846
 847 /*! \brief Sets the SD update type */
 848 enum class SDUpdate : int
 849 {
 850     ForcesOnly,
 851     FrictionAndNoiseOnly,
 852     Combined
 853 };
 854
 855 /*! \brief SD integrator update
 856  *
 857  * Two phases are required in the general case of a constrained
 858  * update, the first phase from the contribution of forces, before
 859  * applying constraints, and then a second phase applying the friction
 860  * and noise, and then further constraining. For details, see
 861  * Goga2012.
 862  *
 863  * Without constraints, the two phases can be combined, for
 864  * efficiency.
 865  *
 866  * Thus three instantiations of this templated function will be made,
 867  * two with only one contribution, and one with both contributions. */
 868 template<SDUpdate updateType>
 869 static void doSDUpdateGeneral(const gmx_stochd_t&  sd,
 870                               int                  start,
 871                               int                  nrend,
 872                               real                 dt,
 873                               const rvec           accel[],
 874                               const ivec           nFreeze[],
 875                               const real           invmass[],
 876                               const unsigned short ptype[],
 877                               const unsigned short cFREEZE[],
 878                               const unsigned short cACC[],
 879                               const unsigned short cTC[],
 880                               const rvec           x[],
 881                               rvec                 xprime[],
 882                               rvec                 v[],
 883                               const rvec           f[],
 884                               int64_t              step,
 885                               int                  seed,
 886                               const int*           gatindex)
 887 {
 888     // cTC, cACC and cFREEZE can be nullptr any time, but various
 889     // instantiations do not make sense with particular pointer
 890     // values.
 891     if (updateType == SDUpdate::ForcesOnly)
 892     {
 893         GMX_ASSERT(f != nullptr, "SD update with only forces requires forces");
 894         GMX_ASSERT(cTC == nullptr, "SD update with only forces cannot handle temperature groups");
 895     }
 896     if (updateType == SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 897     {
 898         GMX_ASSERT(f == nullptr, "SD update with only noise cannot handle forces");
 899         GMX_ASSERT(cACC == nullptr, "SD update with only noise cannot handle acceleration groups");
 900     }
 901     if (updateType == SDUpdate::Combined)
 902     {
 903         GMX_ASSERT(f != nullptr, "SD update with forces and noise requires forces");
 904     }
 905
 906     // Even 0 bits internal counter gives 2x64 ints (more than enough for three table lookups)
 907     gmx::ThreeFry2x64<0>                       rng(seed, gmx::RandomDomain::UpdateCoordinates);
 908     gmx::TabulatedNormalDistribution<real, 14> dist;
 909
 910     for (int n = start; n < nrend; n++)
 911     {
 912         int globalAtomIndex = gatindex ? gatindex[n] : n;
 913         rng.restart(step, globalAtomIndex);
 914         dist.reset();
 915
 916         real inverseMass = invmass[n];
 917         real invsqrtMass = std::sqrt(inverseMass);
 918
 919         int freezeGroup       = cFREEZE ? cFREEZE[n] : 0;
 920         int accelerationGroup = cACC ? cACC[n] : 0;
 921         int temperatureGroup  = cTC ? cTC[n] : 0;
 922
 923         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 924         {
 925             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[freezeGroup][d])
 926             {
 927                 if (updateType == SDUpdate::ForcesOnly)
 928                 {
 929                     real vn = v[n][d] + (inverseMass * f[n][d] + accel[accelerationGroup][d]) * dt;
 930                     v[n][d] = vn;
 931                     // Simple position update.
 932                     xprime[n][d] = x[n][d] + v[n][d] * dt;
 933                 }
 934                 else if (updateType == SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 935                 {
 936                     real vn = v[n][d];
 937                     v[n][d] = (vn * sd.sdc[temperatureGroup].em
 938                                + invsqrtMass * sd.sdsig[temperatureGroup].V * dist(rng));
 939                     // The previous phase already updated the
 940                     // positions with a full v*dt term that must
 941                     // now be half removed.
 942                     xprime[n][d] = xprime[n][d] + 0.5 * (v[n][d] - vn) * dt;
 943                 }
 944                 else
 945                 {
 946                     real vn = v[n][d] + (inverseMass * f[n][d] + accel[accelerationGroup][d]) * dt;
 947                     v[n][d] = (vn * sd.sdc[temperatureGroup].em
 948                                + invsqrtMass * sd.sdsig[temperatureGroup].V * dist(rng));
 949                     // Here we include half of the friction+noise
 950                     // update of v into the position update.
 951                     xprime[n][d] = x[n][d] + 0.5 * (vn + v[n][d]) * dt;
 952                 }
 953             }
 954             else
 955             {
 956                 // When using constraints, the update is split into
 957                 // two phases, but we only need to zero the update of
 958                 // virtual, shell or frozen particles in at most one
 959                 // of the phases.
 960                 if (updateType != SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 961                 {
 962                     v[n][d]      = 0.0;
 963                     xprime[n][d] = x[n][d];
 964                 }
 965             }
 966         }
 967     }
 968 }
 969
 970 static void do_update_bd(int                  start,
 971                          int                  nrend,
 972                          real                 dt,
 973                          const ivec           nFreeze[],
 974                          const real           invmass[],
 975                          const unsigned short ptype[],
 976                          const unsigned short cFREEZE[],
 977                          const unsigned short cTC[],
 978                          const rvec           x[],
 979                          rvec                 xprime[],
 980                          rvec                 v[],
 981                          const rvec           f[],
 982                          real                 friction_coefficient,
 983                          const real*          rf,
 984                          int64_t              step,
 985                          int                  seed,
 986                          const int*           gatindex)
 987 {
 988     /* note -- these appear to be full step velocities . . .  */
 989     int  gf = 0, gt = 0;
 990     real vn;
 991     real invfr = 0;
 992     int  n, d;
 993     // Use 1 bit of internal counters to give us 2*2 64-bits values per stream
 994     // Each 64-bit value is enough for 4 normal distribution table numbers.
 995     gmx::ThreeFry2x64<0>                       rng(seed, gmx::RandomDomain::UpdateCoordinates);
 996     gmx::TabulatedNormalDistribution<real, 14> dist;
 997
 998     if (friction_coefficient != 0)
 999     {
1000         invfr = 1.0 / friction_coefficient;
1001     }
1002
1003     for (n = start; (n < nrend); n++)
1004     {
1005         int ng = gatindex ? gatindex[n] : n;
1006
1007         rng.restart(step, ng);
1008         dist.reset();
1009
1010         if (cFREEZE)
1011         {
1012             gf = cFREEZE[n];
1013         }
1014         if (cTC)
1015         {
1016             gt = cTC[n];
1017         }
1018         for (d = 0; (d < DIM); d++)
1019         {
1020             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
1021             {
1022                 if (friction_coefficient != 0)
1023                 {
1024                     vn = invfr * f[n][d] + rf[gt] * dist(rng);
1025                 }
1026                 else
1027                 {
1028                     /* NOTE: invmass = 2/(mass*friction_constant*dt) */
1029                     vn = 0.5 * invmass[n] * f[n][d] * dt
1030                          + std::sqrt(0.5 * invmass[n]) * rf[gt] * dist(rng);
1031                 }
1032
1033                 v[n][d]      = vn;
1034                 xprime[n][d] = x[n][d] + vn * dt;
1035             }
1036             else
1037             {
1038                 v[n][d]      = 0.0;
1039                 xprime[n][d] = x[n][d];
1040             }
1041         }
1042     }
1043 }
1044
1045 static void calc_ke_part_normal(const rvec       v[],
1046                                 const t_grpopts* opts,
1047                                 const t_mdatoms* md,
1048                                 gmx_ekindata_t*  ekind,
1049                                 t_nrnb*          nrnb,
1050                                 gmx_bool         bEkinAveVel)
1051 {
1052     int                         g;
1053     gmx::ArrayRef<t_grp_tcstat> tcstat  = ekind->tcstat;
1054     gmx::ArrayRef<t_grp_acc>    grpstat = ekind->grpstat;
1055
1056     /* three main: VV with AveVel, vv with AveEkin, leap with AveEkin.  Leap with AveVel is also
1057        an option, but not supported now.
1058        bEkinAveVel: If TRUE, we sum into ekin, if FALSE, into ekinh.
1059      */
1060
1061     /* group velocities are calculated in update_ekindata and
1062      * accumulated in acumulate_groups.
1063      * Now the partial global and groups ekin.
1064      */
1065     for (g = 0; (g < opts->ngtc); g++)
1066     {
1067         copy_mat(tcstat[g].ekinh, tcstat[g].ekinh_old);
1068         if (bEkinAveVel)
1069         {
1070             clear_mat(tcstat[g].ekinf);
1071             tcstat[g].ekinscalef_nhc = 1.0; /* need to clear this -- logic is complicated! */
1072         }
1073         else
1074         {
1075             clear_mat(tcstat[g].ekinh);
1076         }
1077     }
1078     ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
1079     int nthread        = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1080
1081 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1082     for (int thread = 0; thread < nthread; thread++)
1083     {
1084         // This OpenMP only loops over arrays and does not call any functions
1085         // or memory allocation. It should not be able to throw, so for now
1086         // we do not need a try/catch wrapper.
1087         int     start_t, end_t, n;
1088         int     ga, gt;
1089         rvec    v_corrt;
1090         real    hm;
1091         int     d, m;
1092         matrix* ekin_sum;
1093         real*   dekindl_sum;
1094
1095         start_t = ((thread + 0) * md->homenr) / nthread;
1096         end_t   = ((thread + 1) * md->homenr) / nthread;
1097
1098         ekin_sum    = ekind->ekin_work[thread];
1099         dekindl_sum = ekind->dekindl_work[thread];
1100
1101         for (gt = 0; gt < opts->ngtc; gt++)
1102         {
1103             clear_mat(ekin_sum[gt]);
1104         }
1105         *dekindl_sum = 0.0;
1106
1107         ga = 0;
1108         gt = 0;
1109         for (n = start_t; n < end_t; n++)
1110         {
1111             if (md->cACC)
1112             {
1113                 ga = md->cACC[n];
1114             }
1115             if (md->cTC)
1116             {
1117                 gt = md->cTC[n];
1118             }
1119             hm = 0.5 * md->massT[n];
1120
1121             for (d = 0; (d < DIM); d++)
1122             {
1123                 v_corrt[d] = v[n][d] - grpstat[ga].u[d];
1124             }
1125             for (d = 0; (d < DIM); d++)
1126             {
1127                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
1128                 {
1129                     /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
1130                     ekin_sum[gt][m][d] += hm * v_corrt[m] * v_corrt[d];
1131                 }
1132             }
1133             if (md->nMassPerturbed && md->bPerturbed[n])
1134             {
1135                 *dekindl_sum += 0.5 * (md->massB[n] - md->massA[n]) * iprod(v_corrt, v_corrt);
1136             }
1137         }
1138     }
1139
1140     ekind->dekindl = 0;
1141     for (int thread = 0; thread < nthread; thread++)
1142     {
1143         for (g = 0; g < opts->ngtc; g++)
1144         {
1145             if (bEkinAveVel)
1146             {
1147                 m_add(tcstat[g].ekinf, ekind->ekin_work[thread][g], tcstat[g].ekinf);
1148             }
1149             else
1150             {
1151                 m_add(tcstat[g].ekinh, ekind->ekin_work[thread][g], tcstat[g].ekinh);
1152             }
1153         }
1154
1155         ekind->dekindl += *ekind->dekindl_work[thread];
1156     }
1157
1158     inc_nrnb(nrnb, eNR_EKIN, md->homenr);
1159 }
1160
1161 static void calc_ke_part_visc(const matrix     box,
1162                               const rvec       x[],
1163                               const rvec       v[],
1164                               const t_grpopts* opts,
1165                               const t_mdatoms* md,
1166                               gmx_ekindata_t*  ekind,
1167                               t_nrnb*          nrnb,
1168                               gmx_bool         bEkinAveVel)
1169 {
1170     int                         start = 0, homenr = md->homenr;
1171     int                         g, d, n, m, gt = 0;
1172     rvec                        v_corrt;
1173     real                        hm;
1174     gmx::ArrayRef<t_grp_tcstat> tcstat = ekind->tcstat;
1175     t_cos_acc*                  cosacc = &(ekind->cosacc);
1176     real                        dekindl;
1177     real                        fac, cosz;
1178     double                      mvcos;
1179
1180     for (g = 0; g < opts->ngtc; g++)
1181     {
1182         copy_mat(ekind->tcstat[g].ekinh, ekind->tcstat[g].ekinh_old);
1183         clear_mat(ekind->tcstat[g].ekinh);
1184     }
1185     ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
1186
1187     fac     = 2 * M_PI / box[ZZ][ZZ];
1188     mvcos   = 0;
1189     dekindl = 0;
1190     for (n = start; n < start + homenr; n++)
1191     {
1192         if (md->cTC)
1193         {
1194             gt = md->cTC[n];
1195         }
1196         hm = 0.5 * md->massT[n];
1197
1198         /* Note that the times of x and v differ by half a step */
1199         /* MRS -- would have to be changed for VV */
1200         cosz = std::cos(fac * x[n][ZZ]);
1201         /* Calculate the amplitude of the new velocity profile */
1202         mvcos += 2 * cosz * md->massT[n] * v[n][XX];
1203
1204         copy_rvec(v[n], v_corrt);
1205         /* Subtract the profile for the kinetic energy */
1206         v_corrt[XX] -= cosz * cosacc->vcos;
1207         for (d = 0; (d < DIM); d++)
1208         {
1209             for (m = 0; (m < DIM); m++)
1210             {
1211                 /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
1212                 if (bEkinAveVel)
1213                 {
1214                     tcstat[gt].ekinf[m][d] += hm * v_corrt[m] * v_corrt[d];
1215                 }
1216                 else
1217                 {
1218                     tcstat[gt].ekinh[m][d] += hm * v_corrt[m] * v_corrt[d];
1219                 }
1220             }
1221         }
1222         if (md->nPerturbed && md->bPerturbed[n])
1223         {
1224             /* The minus sign here might be confusing.
1225              * The kinetic contribution from dH/dl doesn't come from
1226              * d m(l)/2 v^2 / dl, but rather from d p^2/2m(l) / dl,
1227              * where p are the momenta. The difference is only a minus sign.
1228              */
1229             dekindl -= 0.5 * (md->massB[n] - md->massA[n]) * iprod(v_corrt, v_corrt);
1230         }
1231     }
1232     ekind->dekindl = dekindl;
1233     cosacc->mvcos  = mvcos;
1234
1235     inc_nrnb(nrnb, eNR_EKIN, homenr);
1236 }
1237
1238 void calc_ke_part(const rvec*      x,
1239                   const rvec*      v,
1240                   const matrix     box,
1241                   const t_grpopts* opts,
1242                   const t_mdatoms* md,
1243                   gmx_ekindata_t*  ekind,
1244                   t_nrnb*          nrnb,
1245                   gmx_bool         bEkinAveVel)
1246 {
1247     if (ekind->cosacc.cos_accel == 0)
1248     {
1249         calc_ke_part_normal(v, opts, md, ekind, nrnb, bEkinAveVel);
1250     }
1251     else
1252     {
1253         calc_ke_part_visc(box, x, v, opts, md, ekind, nrnb, bEkinAveVel);
1254     }
1255 }
1256
1257 extern void init_ekinstate(ekinstate_t* ekinstate, const t_inputrec* ir)
1258 {
1259     ekinstate->ekin_n = ir->opts.ngtc;
1260     snew(ekinstate->ekinh, ekinstate->ekin_n);
1261     snew(ekinstate->ekinf, ekinstate->ekin_n);
1262     snew(ekinstate->ekinh_old, ekinstate->ekin_n);
1263     ekinstate->ekinscalef_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1264     ekinstate->ekinscaleh_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1265     ekinstate->vscale_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1266     ekinstate->dekindl          = 0;
1267     ekinstate->mvcos            = 0;
1268     ekinstate->hasReadEkinState = false;
1269 }
1270
1271 void update_ekinstate(ekinstate_t* ekinstate, const gmx_ekindata_t* ekind)
1272 {
1273     int i;
1274
1275     for (i = 0; i < ekinstate->ekin_n; i++)
1276     {
1277         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh, ekinstate->ekinh[i]);
1278         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinf, ekinstate->ekinf[i]);
1279         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh_old, ekinstate->ekinh_old[i]);
1280         ekinstate->ekinscalef_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc;
1281         ekinstate->ekinscaleh_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc;
1282         ekinstate->vscale_nhc[i]     = ekind->tcstat[i].vscale_nhc;
1283     }
1284
1285     copy_mat(ekind->ekin, ekinstate->ekin_total);
1286     ekinstate->dekindl = ekind->dekindl;
1287     ekinstate->mvcos   = ekind->cosacc.mvcos;
1288 }
1289
1290 void restore_ekinstate_from_state(const t_commrec* cr, gmx_ekindata_t* ekind, const ekinstate_t* ekinstate)
1291 {
1292     int i, n;
1293
1294     if (MASTER(cr))
1295     {
1296         for (i = 0; i < ekinstate->ekin_n; i++)
1297         {
1298             copy_mat(ekinstate->ekinh[i], ekind->tcstat[i].ekinh);
1299             copy_mat(ekinstate->ekinf[i], ekind->tcstat[i].ekinf);
1300             copy_mat(ekinstate->ekinh_old[i], ekind->tcstat[i].ekinh_old);
1301             ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc = ekinstate->ekinscalef_nhc[i];
1302             ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc = ekinstate->ekinscaleh_nhc[i];
1303             ekind->tcstat[i].vscale_nhc     = ekinstate->vscale_nhc[i];
1304         }
1305
1306         copy_mat(ekinstate->ekin_total, ekind->ekin);
1307
1308         ekind->dekindl      = ekinstate->dekindl;
1309         ekind->cosacc.mvcos = ekinstate->mvcos;
1310         n                   = ekinstate->ekin_n;
1311     }
1312
1313     if (PAR(cr))
1314     {
1315         gmx_bcast(sizeof(n), &n, cr);
1316         for (i = 0; i < n; i++)
1317         {
1318             gmx_bcast(DIM * DIM * sizeof(ekind->tcstat[i].ekinh[0][0]), ekind->tcstat[i].ekinh[0], cr);
1319             gmx_bcast(DIM * DIM * sizeof(ekind->tcstat[i].ekinf[0][0]), ekind->tcstat[i].ekinf[0], cr);
1320             gmx_bcast(DIM * DIM * sizeof(ekind->tcstat[i].ekinh_old[0][0]),
1321                       ekind->tcstat[i].ekinh_old[0], cr);
1322
1323             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc), &(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc), cr);
1324             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc), &(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc), cr);
1325             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].vscale_nhc), &(ekind->tcstat[i].vscale_nhc), cr);
1326         }
1327         gmx_bcast(DIM * DIM * sizeof(ekind->ekin[0][0]), ekind->ekin[0], cr);
1328
1329         gmx_bcast(sizeof(ekind->dekindl), &ekind->dekindl, cr);
1330         gmx_bcast(sizeof(ekind->cosacc.mvcos), &ekind->cosacc.mvcos, cr);
1331     }
1332 }
1333
1334 void update_tcouple(int64_t           step,
1335                     const t_inputrec* inputrec,
1336                     t_state*          state,
1337                     gmx_ekindata_t*   ekind,
1338                     const t_extmass*  MassQ,
1339                     const t_mdatoms*  md)
1340
1341 {
1342     // This condition was explicitly checked in previous version, but should have never been satisfied
1343     GMX_ASSERT(!(EI_VV(inputrec->eI)
1344                  && (inputrecNvtTrotter(inputrec) || inputrecNptTrotter(inputrec)
1345                      || inputrecNphTrotter(inputrec))),
1346                "Temperature coupling was requested with velocity verlet and trotter");
1347
1348     bool doTemperatureCoupling = false;
1349
1350     // For VV temperature coupling parameters are updated on the current
1351     // step, for the others - one step before.
1352     if (inputrec->etc == etcNO)
1353     {
1354         doTemperatureCoupling = false;
1355     }
1356     else if (EI_VV(inputrec->eI))
1357     {
1358         doTemperatureCoupling = do_per_step(step, inputrec->nsttcouple);
1359     }
1360     else
1361     {
1362         doTemperatureCoupling = do_per_step(step + inputrec->nsttcouple - 1, inputrec->nsttcouple);
1363     }
1364
1365     if (doTemperatureCoupling)
1366     {
1367         real dttc = inputrec->nsttcouple * inputrec->delta_t;
1368
1369         // TODO: berendsen_tcoupl(...), nosehoover_tcoupl(...) and vrescale_tcoupl(...) update
1370         //      temperature coupling parameters, which should be reflected in the name of these
1371         //      subroutines
1372         switch (inputrec->etc)
1373         {
1374             case etcNO: break;
1375             case etcBERENDSEN:
1376                 berendsen_tcoupl(inputrec, ekind, dttc, state->therm_integral);
1377                 break;
1378             case etcNOSEHOOVER:
1379                 nosehoover_tcoupl(&(inputrec->opts), ekind, dttc, state->nosehoover_xi.data(),
1380                                   state->nosehoover_vxi.data(), MassQ);
1381                 break;
1382             case etcVRESCALE:
1383                 vrescale_tcoupl(inputrec, step, ekind, dttc, state->therm_integral.data());
1384                 break;
1385         }
1386         /* rescale in place here */
1387         if (EI_VV(inputrec->eI))
1388         {
1389             rescale_velocities(ekind, md, 0, md->homenr, state->v.rvec_array());
1390         }
1391     }
1392     else
1393     {
1394         // Set the T scaling lambda to 1 to have no scaling
1395         // TODO: Do we have to do it on every non-t-couple step?
1396         for (int i = 0; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
1397         {
1398             ekind->tcstat[i].lambda = 1.0;
1399         }
1400     }
1401 }
1402
1403 void getThreadAtomRange(int numThreads, int threadIndex, int numAtoms, int* startAtom, int* endAtom)
1404 {
1405 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
1406     constexpr int blockSize = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
1407 #else
1408     constexpr int blockSize = 1;
1409 #endif
1410     int numBlocks = (numAtoms + blockSize - 1) / blockSize;
1411
1412     *startAtom = ((numBlocks * threadIndex) / numThreads) * blockSize;
1413     *endAtom   = ((numBlocks * (threadIndex + 1)) / numThreads) * blockSize;
1414     if (threadIndex == numThreads - 1)
1415     {
1416         *endAtom = numAtoms;
1417     }
1418 }
1419
1420 void update_pcouple_before_coordinates(FILE*             fplog,
1421                                        int64_t           step,
1422                                        const t_inputrec* inputrec,
1423                                        t_state*          state,
1424                                        matrix            parrinellorahmanMu,
1425                                        matrix            M,
1426                                        gmx_bool          bInitStep)
1427 {
1428     /* Berendsen P-coupling is completely handled after the coordinate update.
1429      * Trotter P-coupling is handled by separate calls to trotter_update().
1430      */
1431     if (inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN
1432         && do_per_step(step + inputrec->nstpcouple - 1, inputrec->nstpcouple))
1433     {
1434         real dtpc = inputrec->nstpcouple * inputrec->delta_t;
1435
1436         parrinellorahman_pcoupl(fplog, step, inputrec, dtpc, state->pres_prev, state->box,
1437                                 state->box_rel, state->boxv, M, parrinellorahmanMu, bInitStep);
1438     }
1439 }
1440
1441 void constrain_velocities(int64_t step,
1442                           real* dvdlambda, /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1443                           t_state*          state,
1444                           tensor            vir_part,
1445                           gmx::Constraints* constr,
1446                           gmx_bool          bCalcVir,
1447                           bool              do_log,
1448                           bool              do_ene)
1449 {
1450     if (!constr)
1451     {
1452         return;
1453     }
1454
1455     /*
1456      *  Steps (7C, 8C)
1457      *  APPLY CONSTRAINTS:
1458      *  BLOCK SHAKE
1459      */
1460
1461     {
1462         tensor vir_con;
1463
1464         /* clear out constraints before applying */
1465         clear_mat(vir_part);
1466
1467         /* Constrain the coordinates upd->xp */
1468         constr->apply(do_log, do_ene, step, 1, 1.0, state->x.rvec_array(), state->v.rvec_array(),
1469                       state->v.rvec_array(), state->box, state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1470                       nullptr, bCalcVir ? &vir_con : nullptr, ConstraintVariable::Velocities);
1471
1472         if (bCalcVir)
1473         {
1474             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1475         }
1476     }
1477 }
1478
1479 void constrain_coordinates(int64_t step,
1480                            real* dvdlambda, /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1481                            t_state*          state,
1482                            tensor            vir_part,
1483                            Update*           upd,
1484                            gmx::Constraints* constr,
1485                            gmx_bool          bCalcVir,
1486                            bool              do_log,
1487                            bool              do_ene)
1488 {
1489     if (!constr)
1490     {
1491         return;
1492     }
1493
1494     {
1495         tensor vir_con;
1496
1497         /* clear out constraints before applying */
1498         clear_mat(vir_part);
1499
1500         /* Constrain the coordinates upd->xp */
1501         constr->apply(do_log, do_ene, step, 1, 1.0, state->x.rvec_array(), upd->xp()->rvec_array(),
1502                       nullptr, state->box, state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1503                       as_rvec_array(state->v.data()), bCalcVir ? &vir_con : nullptr,
1504                       ConstraintVariable::Positions);
1505
1506         if (bCalcVir)
1507         {
1508             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1509         }
1510     }
1511 }
1512
1513 void update_sd_second_half(int64_t step,
1514                            real* dvdlambda, /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1515                            const t_inputrec* inputrec, /* input record and box stuff    */
1516                            const t_mdatoms*  md,
1517                            t_state*          state,
1518                            const t_commrec*  cr,
1519                            t_nrnb*           nrnb,
1520                            gmx_wallcycle_t   wcycle,
1521                            Update*           upd,
1522                            gmx::Constraints* constr,
1523                            bool              do_log,
1524                            bool              do_ene)
1525 {
1526     if (!constr)
1527     {
1528         return;
1529     }
1530     if (inputrec->eI == eiSD1)
1531     {
1532         int homenr = md->homenr;
1533
1534         /* Cast delta_t from double to real to make the integrators faster.
1535          * The only reason for having delta_t double is to get accurate values
1536          * for t=delta_t*step when step is larger than float precision.
1537          * For integration dt the accuracy of real suffices, since with
1538          * integral += dt*integrand the increment is nearly always (much) smaller
1539          * than the integral (and the integrand has real precision).
1540          */
1541         real dt = inputrec->delta_t;
1542
1543         wallcycle_start(wcycle, ewcUPDATE);
1544
1545         int nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1546
1547 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1548         for (int th = 0; th < nth; th++)
1549         {
1550             try
1551             {
1552                 int start_th, end_th;
1553                 getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1554
1555                 doSDUpdateGeneral<SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly>(
1556                         *upd->sd(), start_th, end_th, dt, inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1557                         md->invmass, md->ptype, md->cFREEZE, nullptr, md->cTC, state->x.rvec_array(),
1558                         upd->xp()->rvec_array(), state->v.rvec_array(), nullptr, step, inputrec->ld_seed,
1559                         DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1560             }
1561             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
1562         }
1563         inc_nrnb(nrnb, eNR_UPDATE, homenr);
1564         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1565
1566         /* Constrain the coordinates upd->xp for half a time step */
1567         constr->apply(do_log, do_ene, step, 1, 0.5, state->x.rvec_array(), upd->xp()->rvec_array(),
1568                       nullptr, state->box, state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1569                       as_rvec_array(state->v.data()), nullptr, ConstraintVariable::Positions);
1570     }
1571 }
1572
1573 void finish_update(const t_inputrec*       inputrec, /* input record and box stuff      */
1574                    const t_mdatoms*        md,
1575                    t_state*                state,
1576                    const t_graph*          graph,
1577                    t_nrnb*                 nrnb,
1578                    gmx_wallcycle_t         wcycle,
1579                    Update*                 upd,
1580                    const gmx::Constraints* constr)
1581 {
1582     int homenr = md->homenr;
1583
1584     /* We must always unshift after updating coordinates; if we did not shake
1585        x was shifted in do_force */
1586
1587     /* NOTE Currently we always integrate to a temporary buffer and
1588      * then copy the results back. */
1589     {
1590         wallcycle_start_nocount(wcycle, ewcUPDATE);
1591
1592         if (md->cFREEZE != nullptr && constr != nullptr)
1593         {
1594             /* If we have atoms that are frozen along some, but not all
1595              * dimensions, then any constraints will have moved them also along
1596              * the frozen dimensions. To freeze such degrees of freedom
1597              * we copy them back here to later copy them forward. It would
1598              * be more elegant and slightly more efficient to copies zero
1599              * times instead of twice, but the graph case below prevents this.
1600              */
1601             const ivec* nFreeze                     = inputrec->opts.nFreeze;
1602             bool        partialFreezeAndConstraints = false;
1603             for (int g = 0; g < inputrec->opts.ngfrz; g++)
1604             {
1605                 int numFreezeDim = nFreeze[g][XX] + nFreeze[g][YY] + nFreeze[g][ZZ];
1606                 if (numFreezeDim > 0 && numFreezeDim < 3)
1607                 {
1608                     partialFreezeAndConstraints = true;
1609                 }
1610             }
1611             if (partialFreezeAndConstraints)
1612             {
1613                 auto xp = makeArrayRef(*upd->xp()).subArray(0, homenr);
1614                 auto x  = makeConstArrayRef(state->x).subArray(0, homenr);
1615                 for (int i = 0; i < homenr; i++)
1616                 {
1617                     int g = md->cFREEZE[i];
1618
1619                     for (int d = 0; d < DIM; d++)
1620                     {
1621                         if (nFreeze[g][d])
1622                         {
1623                             xp[i][d] = x[i][d];
1624                         }
1625                     }
1626                 }
1627             }
1628         }
1629
1630         if (graph && (graph->nnodes > 0))
1631         {
1632             unshift_x(graph, state->box, state->x.rvec_array(), upd->xp()->rvec_array());
1633             if (TRICLINIC(state->box))
1634             {
1635                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, 2 * graph->nnodes);
1636             }
1637             else
1638             {
1639                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, graph->nnodes);
1640             }
1641         }
1642         else
1643         {
1644             auto xp = makeConstArrayRef(*upd->xp()).subArray(0, homenr);
1645             auto x  = makeArrayRef(state->x).subArray(0, homenr);
1646
1647
1648             int gmx_unused nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1649 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1650             for (int i = 0; i < homenr; i++)
1651             {
1652                 // Trivial statement, does not throw
1653                 x[i] = xp[i];
1654             }
1655         }
1656         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1657     }
1658     /* ############# END the update of velocities and positions ######### */
1659 }
1660
1661 void update_pcouple_after_coordinates(FILE*             fplog,
1662                                       int64_t           step,
1663                                       const t_inputrec* inputrec,
1664                                       const t_mdatoms*  md,
1665                                       const matrix      pressure,
1666                                       const matrix      forceVirial,
1667                                       const matrix      constraintVirial,
1668                                       matrix            pressureCouplingMu,
1669                                       t_state*          state,
1670                                       t_nrnb*           nrnb,
1671                                       Update*           upd,
1672                                       const bool        scaleCoordinates)
1673 {
1674     int start  = 0;
1675     int homenr = md->homenr;
1676
1677     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1678     real dt = inputrec->delta_t;
1679
1680
1681     /* now update boxes */
1682     switch (inputrec->epc)
1683     {
1684         case (epcNO): break;
1685         case (epcBERENDSEN):
1686             if (do_per_step(step, inputrec->nstpcouple))
1687             {
1688                 real dtpc = inputrec->nstpcouple * dt;
1689                 berendsen_pcoupl(fplog, step, inputrec, dtpc, pressure, state->box, forceVirial,
1690                                  constraintVirial, pressureCouplingMu, &state->baros_integral);
1691                 berendsen_pscale(inputrec, pressureCouplingMu, state->box, state->box_rel, start,
1692                                  homenr, state->x.rvec_array(), md->cFREEZE, nrnb, scaleCoordinates);
1693             }
1694             break;
1695         case (epcPARRINELLORAHMAN):
1696             if (do_per_step(step + inputrec->nstpcouple - 1, inputrec->nstpcouple))
1697             {
1698                 /* The box velocities were updated in do_pr_pcoupl,
1699                  * but we dont change the box vectors until we get here
1700                  * since we need to be able to shift/unshift above.
1701                  */
1702                 real dtpc = inputrec->nstpcouple * dt;
1703                 for (int i = 0; i < DIM; i++)
1704                 {
1705                     for (int m = 0; m <= i; m++)
1706                     {
1707                         state->box[i][m] += dtpc * state->boxv[i][m];
1708                     }
1709                 }
1710                 preserve_box_shape(inputrec, state->box_rel, state->box);
1711
1712                 /* Scale the coordinates */
1713                 if (scaleCoordinates)
1714                 {
1715                     auto x = state->x.rvec_array();
1716                     for (int n = start; n < start + homenr; n++)
1717                     {
1718                         tmvmul_ur0(pressureCouplingMu, x[n], x[n]);
1719                     }
1720                 }
1721             }
1722             break;
1723         case (epcMTTK):
1724             switch (inputrec->epct)
1725             {
1726                 case (epctISOTROPIC):
1727                     /* DIM * eta = ln V.  so DIM*eta_new = DIM*eta_old + DIM*dt*veta =>
1728                        ln V_new = ln V_old + 3*dt*veta => V_new = V_old*exp(3*dt*veta) =>
1729                        Side length scales as exp(veta*dt) */
1730
1731                     msmul(state->box, std::exp(state->veta * dt), state->box);
1732
1733                     /* Relate veta to boxv.  veta = d(eta)/dT = (1/DIM)*1/V dV/dT.
1734                        o               If we assume isotropic scaling, and box length scaling
1735                        factor L, then V = L^DIM (det(M)).  So dV/dt = DIM
1736                        L^(DIM-1) dL/dt det(M), and veta = (1/L) dL/dt.  The
1737                        determinant of B is L^DIM det(M), and the determinant
1738                        of dB/dt is (dL/dT)^DIM det (M).  veta will be
1739                        (det(dB/dT)/det(B))^(1/3).  Then since M =
1740                        B_new*(vol_new)^(1/3), dB/dT_new = (veta_new)*B(new). */
1741
1742                     msmul(state->box, state->veta, state->boxv);
1743                     break;
1744                 default: break;
1745             }
1746             break;
1747         default: break;
1748     }
1749
1750     if (upd->deform())
1751     {
1752         auto localX = makeArrayRef(state->x).subArray(start, homenr);
1753         upd->deform()->apply(localX, state->box, step);
1754     }
1755 }
1756
1757 void update_coords(int64_t           step,
1758                    const t_inputrec* inputrec, /* input record and box stuff    */
1759                    const t_mdatoms*  md,
1760                    t_state*          state,
1761                    gmx::ArrayRefWithPadding<const gmx::RVec> f,
1762                    const t_fcdata*                           fcd,
1763                    const gmx_ekindata_t*                     ekind,
1764                    const matrix                              M,
1765                    Update*                                   upd,
1766                    int                                       UpdatePart,
1767                    const t_commrec* cr, /* these shouldn't be here -- need to think about it */
1768                    const gmx::Constraints* constr)
1769 {
1770     gmx_bool bDoConstr = (nullptr != constr);
1771
1772     /* Running the velocity half does nothing except for velocity verlet */
1773     if ((UpdatePart == etrtVELOCITY1 || UpdatePart == etrtVELOCITY2) && !EI_VV(inputrec->eI))
1774     {
1775         gmx_incons("update_coords called for velocity without VV integrator");
1776     }
1777
1778     int homenr = md->homenr;
1779
1780     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1781     real dt = inputrec->delta_t;
1782
1783     /* We need to update the NMR restraint history when time averaging is used */
1784     if (state->flags & (1 << estDISRE_RM3TAV))
1785     {
1786         update_disres_history(fcd, &state->hist);
1787     }
1788     if (state->flags & (1 << estORIRE_DTAV))
1789     {
1790         update_orires_history(fcd, &state->hist);
1791     }
1792
1793     /* ############# START The update of velocities and positions ######### */
1794     int nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1795
1796 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1797     for (int th = 0; th < nth; th++)
1798     {
1799         try
1800         {
1801             int start_th, end_th;
1802             getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1803
1804             const rvec* x_rvec  = state->x.rvec_array();
1805             rvec*       xp_rvec = upd->xp()->rvec_array();
1806             rvec*       v_rvec  = state->v.rvec_array();
1807             const rvec* f_rvec  = as_rvec_array(f.unpaddedArrayRef().data());
1808
1809             switch (inputrec->eI)
1810             {
1811                 case (eiMD):
1812                     do_update_md(start_th, end_th, step, dt, inputrec, md, ekind, state->box,
1813                                  x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec, state->nosehoover_vxi.data(), M);
1814                     break;
1815                 case (eiSD1):
1816                     if (bDoConstr)
1817                     {
1818                         // With constraints, the SD update is done in 2 parts
1819                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::ForcesOnly>(
1820                                 *upd->sd(), start_th, end_th, dt, inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1821                                 md->invmass, md->ptype, md->cFREEZE, md->cACC, nullptr, x_rvec,
1822                                 xp_rvec, v_rvec, f_rvec, step, inputrec->ld_seed, nullptr);
1823                     }
1824                     else
1825                     {
1826                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::Combined>(
1827                                 *upd->sd(), start_th, end_th, dt, inputrec->opts.acc,
1828                                 inputrec->opts.nFreeze, md->invmass, md->ptype, md->cFREEZE, md->cACC,
1829                                 md->cTC, x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec, step, inputrec->ld_seed,
1830                                 DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1831                     }
1832                     break;
1833                 case (eiBD):
1834                     do_update_bd(start_th, end_th, dt, inputrec->opts.nFreeze, md->invmass,
1835                                  md->ptype, md->cFREEZE, md->cTC, x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1836                                  inputrec->bd_fric, upd->sd()->bd_rf.data(), step, inputrec->ld_seed,
1837                                  DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1838                     break;
1839                 case (eiVV):
1840                 case (eiVVAK):
1841                 {
1842                     gmx_bool bExtended = (inputrec->etc == etcNOSEHOOVER || inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN
1843                                           || inputrec->epc == epcMTTK);
1844
1845                     /* assuming barostat coupled to group 0 */
1846                     real alpha = 1.0 + DIM / static_cast<real>(inputrec->opts.nrdf[0]);
1847                     switch (UpdatePart)
1848                     {
1849                         case etrtVELOCITY1:
1850                         case etrtVELOCITY2:
1851                             do_update_vv_vel(start_th, end_th, dt, inputrec->opts.acc,
1852                                              inputrec->opts.nFreeze, md->invmass, md->ptype, md->cFREEZE,
1853                                              md->cACC, v_rvec, f_rvec, bExtended, state->veta, alpha);
1854                             break;
1855                         case etrtPOSITION:
1856                             do_update_vv_pos(start_th, end_th, dt, inputrec->opts.nFreeze, md->ptype,
1857                                              md->cFREEZE, x_rvec, xp_rvec, v_rvec, bExtended, state->veta);
1858                             break;
1859                     }
1860                     break;
1861                 }
1862                 default: gmx_fatal(FARGS, "Don't know how to update coordinates");
1863             }
1864         }
1865         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR
1866     }
1867 }
1868
1869 extern gmx_bool update_randomize_velocities(const t_inputrec*        ir,
1870                                             int64_t                  step,
1871                                             const t_commrec*         cr,
1872                                             const t_mdatoms*         md,
1873                                             gmx::ArrayRef<gmx::RVec> v,
1874                                             const Update*            upd,
1875                                             const gmx::Constraints*  constr)
1876 {
1877
1878     real rate = (ir->delta_t) / ir->opts.tau_t[0];
1879
1880     if (ir->etc == etcANDERSEN && constr != nullptr)
1881     {
1882         /* Currently, Andersen thermostat does not support constrained
1883            systems. Functionality exists in the andersen_tcoupl
1884            function in GROMACS 4.5.7 to allow this combination. That
1885            code could be ported to the current random-number
1886            generation approach, but has not yet been done because of
1887            lack of time and resources. */
1888         gmx_fatal(FARGS,
1889                   "Normal Andersen is currently not supported with constraints, use massive "
1890                   "Andersen instead");
1891     }
1892
1893     /* proceed with andersen if 1) it's fixed probability per
1894        particle andersen or 2) it's massive andersen and it's tau_t/dt */
1895     if ((ir->etc == etcANDERSEN) || do_per_step(step, roundToInt(1.0 / rate)))
1896     {
1897         andersen_tcoupl(ir, step, cr, md, v, rate, upd->sd()->randomize_group, upd->sd()->boltzfac);
1898         return TRUE;
1899     }
1900     return FALSE;
1901 }