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) 2013,2014,2015,2016,2017,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "update.h"
  40
  41 #include <cmath>
  42 #include <cstdio>
  43
  44 #include <algorithm>
  45
  46 #include "gromacs/compat/make_unique.h"
  47 #include "gromacs/domdec/domdec_struct.h"
  48 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  49 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  50 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
  51 #include "gromacs/listed-forces/disre.h"
  52 #include "gromacs/listed-forces/orires.h"
  53 #include "gromacs/math/functions.h"
  54 #include "gromacs/math/invertmatrix.h"
  55 #include "gromacs/math/paddedvector.h"
  56 #include "gromacs/math/units.h"
  57 #include "gromacs/math/vec.h"
  58 #include "gromacs/math/vecdump.h"
  59 #include "gromacs/mdlib/boxdeformation.h"
  60 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
  61 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  62 #include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
  63 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  64 #include "gromacs/mdlib/tgroup.h"
  65 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  66 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  67 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  68 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  69 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  70 #include "gromacs/pbcutil/boxutilities.h"
  71 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  72 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  73 #include "gromacs/pulling/pull.h"
  74 #include "gromacs/random/tabulatednormaldistribution.h"
  75 #include "gromacs/random/threefry.h"
  76 #include "gromacs/simd/simd.h"
  77 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  78 #include "gromacs/topology/atoms.h"
  79 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  80 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  81 #include "gromacs/utility/futil.h"
  82 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  83 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  84 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  85
  86 using namespace gmx; // TODO: Remove when this file is moved into gmx namespace
  87
  88 typedef struct {
  89     double em;
  90 } gmx_sd_const_t;
  91
  92 typedef struct {
  93     real V;
  94 } gmx_sd_sigma_t;
  95
  96 struct gmx_stochd_t
  97 {
  98     /* BD stuff */
  99     std::vector<real>           bd_rf;
 100     /* SD stuff */
 101     std::vector<gmx_sd_const_t> sdc;
 102     std::vector<gmx_sd_sigma_t> sdsig;
 103     /* andersen temperature control stuff */
 104     std::vector<bool>           randomize_group;
 105     std::vector<real>           boltzfac;
 106
 107     gmx_stochd_t(const t_inputrec *ir);
 108 };
 109
 110 struct gmx_update_t
 111 {
 112     std::unique_ptr<gmx_stochd_t> sd;
 113     /* xprime for constraint algorithms */
 114     PaddedVector<gmx::RVec>       xp;
 115
 116     /* Variables for the deform algorithm */
 117     int64_t           deformref_step;
 118     matrix            deformref_box;
 119
 120     //! Box deformation handler (or nullptr if inactive).
 121     gmx::BoxDeformation *deform;
 122 };
 123
 124 static bool isTemperatureCouplingStep(int64_t step, const t_inputrec *ir)
 125 {
 126     /* We should only couple after a step where energies were determined (for leapfrog versions)
 127        or the step energies are determined, for velocity verlet versions */
 128     int offset;
 129     if (EI_VV(ir->eI))
 130     {
 131         offset = 0;
 132     }
 133     else
 134     {
 135         offset = 1;
 136     }
 137     return ir->etc != etcNO &&
 138            (ir->nsttcouple == 1 ||
 139             do_per_step(step + ir->nsttcouple - offset, ir->nsttcouple));
 140 }
 141
 142 static bool isPressureCouplingStep(int64_t step, const t_inputrec *ir)
 143 {
 144     GMX_ASSERT(ir->epc != epcMTTK, "MTTK pressure coupling is not handled here");
 145
 146     int offset;
 147     if (ir->epc == epcBERENDSEN)
 148     {
 149         offset = 0;
 150     }
 151     else
 152     {
 153         offset = 1;
 154     }
 155     /* We should only couple after a step where pressures were determined */
 156     return ir->epc != etcNO &&
 157            (ir->nstpcouple == 1 ||
 158             do_per_step(step + ir->nstpcouple - offset, ir->nstpcouple));
 159 }
 160
 161 /*! \brief Sets the velocities of virtual sites to zero */
 162 static void clearVsiteVelocities(int                   start,
 163                                  int                   nrend,
 164                                  const unsigned short *particleType,
 165                                  rvec * gmx_restrict   v)
 166 {
 167     for (int a = start; a < nrend; a++)
 168     {
 169         if (particleType[a] == eptVSite)
 170         {
 171             clear_rvec(v[a]);
 172         }
 173     }
 174 }
 175
 176 /*! \brief Sets the number of different temperature coupling values */
 177 enum class NumTempScaleValues
 178 {
 179     single,   //!< Single T-scaling value (either one group or all values =1)
 180     multiple  //!< Multiple T-scaling values, need to use T-group indices
 181 };
 182
 183 /*! \brief Sets if to apply no or diagonal Parrinello-Rahman pressure scaling
 184  *
 185  * Note that this enum is only used in updateMDLeapfrogSimple(), which does
 186  * not handle fully anistropic Parrinello-Rahman scaling, so we only have
 187  * options \p no and \p diagonal here and no anistropic option.
 188  */
 189 enum class ApplyParrinelloRahmanVScaling
 190 {
 191     no,       //!< Do not apply velocity scaling (not a PR-coupling run or step)
 192     diagonal  //!< Apply velocity scaling using a diagonal matrix
 193 };
 194
 195 /*! \brief Integrate using leap-frog with T-scaling and optionally diagonal Parrinello-Rahman p-coupling
 196  *
 197  * \tparam       numTempScaleValues     The number of different T-couple values
 198  * \tparam       applyPRVScaling        Apply Parrinello-Rahman velocity scaling
 199  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 200  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 201  * \param[in]    dt                     The time step
 202  * \param[in]    dtPressureCouple       Time step for pressure coupling
 203  * \param[in]    invMassPerDim          1/mass per atom and dimension
 204  * \param[in]    tcstat                 Temperature coupling information
 205  * \param[in]    cTC                    T-coupling group index per atom
 206  * \param[in]    pRVScaleMatrixDiagonal Parrinello-Rahman v-scale matrix diagonal
 207  * \param[in]    x                      Input coordinates
 208  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 209  * \param[inout] v                      Velocities
 210  * \param[in]    f                      Forces
 211  *
 212  * We expect this template to get good SIMD acceleration by most compilers,
 213  * unlike the more complex general template.
 214  * Note that we might get even better SIMD acceleration when we introduce
 215  * aligned (and padded) memory, possibly with some hints for the compilers.
 216  */
 217 template<NumTempScaleValues            numTempScaleValues,
 218          ApplyParrinelloRahmanVScaling applyPRVScaling>
 219 static void
 220 updateMDLeapfrogSimple(int                       start,
 221                        int                       nrend,
 222                        real                      dt,
 223                        real                      dtPressureCouple,
 224                        const rvec * gmx_restrict invMassPerDim,
 225                        const t_grp_tcstat      * tcstat,
 226                        const unsigned short    * cTC,
 227                        const rvec                pRVScaleMatrixDiagonal,
 228                        const rvec * gmx_restrict x,
 229                        rvec       * gmx_restrict xprime,
 230                        rvec       * gmx_restrict v,
 231                        const rvec * gmx_restrict f)
 232 {
 233     real lambdaGroup;
 234
 235     if (numTempScaleValues == NumTempScaleValues::single)
 236     {
 237         lambdaGroup = tcstat[0].lambda;
 238     }
 239
 240     for (int a = start; a < nrend; a++)
 241     {
 242         if (numTempScaleValues == NumTempScaleValues::multiple)
 243         {
 244             lambdaGroup = tcstat[cTC[a]].lambda;
 245         }
 246
 247         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 248         {
 249             /* Note that using rvec invMassPerDim results in more efficient
 250              * SIMD code, but this increases the cache pressure.
 251              * For large systems with PME on the CPU this slows down the
 252              * (then already slow) update by 20%. If all data remains in cache,
 253              * using rvec is much faster.
 254              */
 255             real vNew = lambdaGroup*v[a][d] + f[a][d]*invMassPerDim[a][d]*dt;
 256
 257             if (applyPRVScaling == ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal)
 258             {
 259                 vNew -= dtPressureCouple*pRVScaleMatrixDiagonal[d]*v[a][d];
 260             }
 261             v[a][d]      = vNew;
 262             xprime[a][d] = x[a][d] + vNew*dt;
 263         }
 264     }
 265 }
 266
 267 #if GMX_SIMD && GMX_SIMD_HAVE_REAL
 268 #define GMX_HAVE_SIMD_UPDATE 1
 269 #else
 270 #define GMX_HAVE_SIMD_UPDATE 0
 271 #endif
 272
 273 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 274
 275 /*! \brief Load (aligned) the contents of GMX_SIMD_REAL_WIDTH rvec elements sequentially into 3 SIMD registers
 276  *
 277  * The loaded output is:
 278  * \p r0: { r[index][XX], r[index][YY], ... }
 279  * \p r1: { ... }
 280  * \p r2: { ..., r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1][YY], r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1][ZZ] }
 281  *
 282  * \param[in]  r      Real to an rvec array, has to be aligned to SIMD register width
 283  * \param[in]  index  Index of the first rvec triplet of reals to load
 284  * \param[out] r0     Pointer to first SIMD register
 285  * \param[out] r1     Pointer to second SIMD register
 286  * \param[out] r2     Pointer to third SIMD register
 287  */
 288 static inline void simdLoadRvecs(const rvec *r,
 289                                  int         index,
 290                                  SimdReal   *r0,
 291                                  SimdReal   *r1,
 292                                  SimdReal   *r2)
 293 {
 294     const real *realPtr = r[index];
 295
 296     GMX_ASSERT(isSimdAligned(realPtr), "Pointer should be SIMD aligned");
 297
 298     *r0 = simdLoad(realPtr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 299     *r1 = simdLoad(realPtr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 300     *r2 = simdLoad(realPtr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 301 }
 302
 303 /*! \brief Store (aligned) 3 SIMD registers sequentially to GMX_SIMD_REAL_WIDTH rvec elements
 304  *
 305  * The stored output is:
 306  * \p r[index] = { { r0[0], r0[1], ... }
 307  * ...
 308  * \p r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1] =  { ... , r2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH-2], r2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1] }
 309  *
 310  * \param[out] r      Pointer to an rvec array, has to be aligned to SIMD register width
 311  * \param[in]  index  Index of the first rvec triplet of reals to store to
 312  * \param[in]  r0     First SIMD register
 313  * \param[in]  r1     Second SIMD register
 314  * \param[in]  r2     Third SIMD register
 315  */
 316 static inline void simdStoreRvecs(rvec     *r,
 317                                   int       index,
 318                                   SimdReal  r0,
 319                                   SimdReal  r1,
 320                                   SimdReal  r2)
 321 {
 322     real *realPtr = r[index];
 323
 324     GMX_ASSERT(isSimdAligned(realPtr), "Pointer should be SIMD aligned");
 325
 326     store(realPtr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r0);
 327     store(realPtr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r1);
 328     store(realPtr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r2);
 329 }
 330
 331 /*! \brief Integrate using leap-frog with single group T-scaling and SIMD
 332  *
 333  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 334  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 335  * \param[in]    dt                     The time step
 336  * \param[in]    invMass                1/mass per atom
 337  * \param[in]    tcstat                 Temperature coupling information
 338  * \param[in]    x                      Input coordinates
 339  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 340  * \param[inout] v                      Velocities
 341  * \param[in]    f                      Forces
 342  */
 343 static void
 344 updateMDLeapfrogSimpleSimd(int                       start,
 345                            int                       nrend,
 346                            real                      dt,
 347                            const real * gmx_restrict invMass,
 348                            const t_grp_tcstat      * tcstat,
 349                            const rvec * gmx_restrict x,
 350                            rvec       * gmx_restrict xprime,
 351                            rvec       * gmx_restrict v,
 352                            const rvec * gmx_restrict f)
 353 {
 354     SimdReal                  timestep(dt);
 355     SimdReal                  lambdaSystem(tcstat[0].lambda);
 356
 357     /* We declare variables here, since code is often slower when declaring them inside the loop */
 358
 359     /* Note: We should implement a proper PaddedVector, so we don't need this check */
 360     GMX_ASSERT(isSimdAligned(invMass), "invMass should be aligned");
 361
 362     for (int a = start; a < nrend; a += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 363     {
 364         SimdReal invMass0, invMass1, invMass2;
 365         expandScalarsToTriplets(simdLoad(invMass + a),
 366                                 &invMass0, &invMass1, &invMass2);
 367
 368         SimdReal v0, v1, v2;
 369         SimdReal f0, f1, f2;
 370         simdLoadRvecs(v, a, &v0, &v1, &v2);
 371         simdLoadRvecs(f, a, &f0, &f1, &f2);
 372
 373         v0 = fma(f0*invMass0, timestep, lambdaSystem*v0);
 374         v1 = fma(f1*invMass1, timestep, lambdaSystem*v1);
 375         v2 = fma(f2*invMass2, timestep, lambdaSystem*v2);
 376
 377         simdStoreRvecs(v, a, v0, v1, v2);
 378
 379         SimdReal x0, x1, x2;
 380         simdLoadRvecs(x, a, &x0, &x1, &x2);
 381
 382         SimdReal xprime0 = fma(v0, timestep, x0);
 383         SimdReal xprime1 = fma(v1, timestep, x1);
 384         SimdReal xprime2 = fma(v2, timestep, x2);
 385
 386         simdStoreRvecs(xprime, a, xprime0, xprime1, xprime2);
 387     }
 388 }
 389
 390 #endif // GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 391
 392 /*! \brief Sets the NEMD acceleration type */
 393 enum class AccelerationType
 394 {
 395     none, group, cosine
 396 };
 397
 398 /*! \brief Integrate using leap-frog with support for everything
 399  *
 400  * \tparam       accelerationType       Type of NEMD acceleration
 401  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 402  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 403  * \param[in]    doNoseHoover           If to apply Nose-Hoover T-coupling
 404  * \param[in]    dt                     The time step
 405  * \param[in]    dtPressureCouple       Time step for pressure coupling, is 0 when no pressure coupling should be applied at this step
 406  * \param[in]    ir                     The input parameter record
 407  * \param[in]    md                     Atom properties
 408  * \param[in]    ekind                  Kinetic energy data
 409  * \param[in]    box                    The box dimensions
 410  * \param[in]    x                      Input coordinates
 411  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 412  * \param[inout] v                      Velocities
 413  * \param[in]    f                      Forces
 414  * \param[in]    nh_vxi                 Nose-Hoover velocity scaling factors
 415  * \param[in]    M                      Parrinello-Rahman scaling matrix
 416  */
 417 template<AccelerationType accelerationType>
 418 static void
 419 updateMDLeapfrogGeneral(int                         start,
 420                         int                         nrend,
 421                         bool                        doNoseHoover,
 422                         real                        dt,
 423                         real                        dtPressureCouple,
 424                         const t_inputrec          * ir,
 425                         const t_mdatoms           * md,
 426                         const gmx_ekindata_t      * ekind,
 427                         const matrix                box,
 428                         const rvec   * gmx_restrict x,
 429                         rvec         * gmx_restrict xprime,
 430                         rvec         * gmx_restrict v,
 431                         const rvec   * gmx_restrict f,
 432                         const double * gmx_restrict nh_vxi,
 433                         const matrix                M)
 434 {
 435     /* This is a version of the leap-frog integrator that supports
 436      * all combinations of T-coupling, P-coupling and NEMD.
 437      * Nose-Hoover uses the reversible leap-frog integrator from
 438      * Holian et al. Phys Rev E 52(3) : 2338, 1995
 439      */
 440
 441     const unsigned short    * cTC           = md->cTC;
 442     const t_grp_tcstat      * tcstat        = ekind->tcstat;
 443
 444     const unsigned short    * cACC          = md->cACC;
 445     const rvec              * accel         = ir->opts.acc;
 446     const t_grp_acc         * grpstat       = ekind->grpstat;
 447
 448     const rvec * gmx_restrict invMassPerDim = md->invMassPerDim;
 449
 450     /* Initialize group values, changed later when multiple groups are used */
 451     int  ga       = 0;
 452     int  gt       = 0;
 453     real factorNH = 0;
 454
 455     real omega_Z  = 2*static_cast<real>(M_PI)/box[ZZ][ZZ];
 456
 457     for (int n = start; n < nrend; n++)
 458     {
 459         if (cTC)
 460         {
 461             gt  = cTC[n];
 462         }
 463         real lg = tcstat[gt].lambda;
 464
 465         rvec vRel;
 466         real cosineZ, vCosine;
 467 #ifdef __INTEL_COMPILER
 468 #pragma warning( disable : 280 )
 469 #endif
 470         switch (accelerationType)
 471         {
 472             case AccelerationType::none:
 473                 copy_rvec(v[n], vRel);
 474                 break;
 475             case AccelerationType::group:
 476                 if (cACC)
 477                 {
 478                     ga = cACC[n];
 479                 }
 480                 /* Avoid scaling the group velocity */
 481                 rvec_sub(v[n], grpstat[ga].u, vRel);
 482                 break;
 483             case AccelerationType::cosine:
 484                 cosineZ = std::cos(x[n][ZZ]*omega_Z);
 485                 vCosine = cosineZ*ekind->cosacc.vcos;
 486                 /* Avoid scaling the cosine profile velocity */
 487                 copy_rvec(v[n], vRel);
 488                 vRel[XX] -= vCosine;
 489                 break;
 490         }
 491
 492         if (doNoseHoover)
 493         {
 494             /* Here we account for multiple time stepping, by increasing
 495              * the Nose-Hoover correction by nsttcouple
 496              */
 497             factorNH = 0.5*ir->nsttcouple*dt*nh_vxi[gt];
 498         }
 499
 500         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 501         {
 502             real vNew =
 503                 (lg*vRel[d] + (f[n][d]*invMassPerDim[n][d]*dt - factorNH*vRel[d]
 504                                - dtPressureCouple*iprod(M[d], vRel)))/(1 + factorNH);
 505             switch (accelerationType)
 506             {
 507                 case AccelerationType::none:
 508                     break;
 509                 case AccelerationType::group:
 510                     /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 511                     vNew += grpstat[ga].u[d] + accel[ga][d]*dt;
 512                     break;
 513                 case AccelerationType::cosine:
 514                     if (d == XX)
 515                     {
 516                         /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 517                         vNew += vCosine + cosineZ*ekind->cosacc.cos_accel*dt;
 518                     }
 519                     break;
 520             }
 521             v[n][d]       = vNew;
 522             xprime[n][d]  = x[n][d] + vNew*dt;
 523         }
 524     }
 525 }
 526
 527 /*! \brief Handles the Leap-frog MD x and v integration */
 528 static void do_update_md(int                         start,
 529                          int                         nrend,
 530                          int64_t                     step,
 531                          real                        dt,
 532                          const t_inputrec          * ir,
 533                          const t_mdatoms           * md,
 534                          const gmx_ekindata_t      * ekind,
 535                          const matrix                box,
 536                          const rvec   * gmx_restrict x,
 537                          rvec         * gmx_restrict xprime,
 538                          rvec         * gmx_restrict v,
 539                          const rvec   * gmx_restrict f,
 540                          const double * gmx_restrict nh_vxi,
 541                          const matrix                M)
 542 {
 543     GMX_ASSERT(nrend == start || xprime != x, "For SIMD optimization certain compilers need to have xprime != x");
 544
 545     /* Note: Berendsen pressure scaling is handled after do_update_md() */
 546     bool doTempCouple       = isTemperatureCouplingStep(step, ir);
 547     bool doNoseHoover       = (ir->etc == etcNOSEHOOVER && doTempCouple);
 548     bool doParrinelloRahman = (ir->epc == epcPARRINELLORAHMAN && isPressureCouplingStep(step, ir));
 549     bool doPROffDiagonal    = (doParrinelloRahman && (M[YY][XX] != 0 || M[ZZ][XX] != 0 || M[ZZ][YY] != 0));
 550
 551     real dtPressureCouple   = (doParrinelloRahman ? ir->nstpcouple*dt : 0);
 552
 553     /* NEMD (also cosine) acceleration is applied in updateMDLeapFrogGeneral */
 554     bool doAcceleration     = (ekind->bNEMD || ekind->cosacc.cos_accel != 0);
 555
 556     if (doNoseHoover || doPROffDiagonal || doAcceleration)
 557     {
 558         matrix stepM;
 559         if (!doParrinelloRahman)
 560         {
 561             /* We should not apply PR scaling at this step */
 562             clear_mat(stepM);
 563         }
 564         else
 565         {
 566             copy_mat(M, stepM);
 567         }
 568
 569         if (!doAcceleration)
 570         {
 571             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::none>
 572                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 573                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 574         }
 575         else if (ekind->bNEMD)
 576         {
 577             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::group>
 578                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 579                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 580         }
 581         else
 582         {
 583             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::cosine>
 584                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 585                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 586         }
 587     }
 588     else
 589     {
 590         /* Use a simple and thus more efficient integration loop. */
 591         /* The simple loop does not check for particle type (so it can
 592          * be vectorized), which means we need to clear the velocities
 593          * of virtual sites in advance, when present. Note that vsite
 594          * velocities are computed after update and constraints from
 595          * their displacement.
 596          */
 597         if (md->haveVsites)
 598         {
 599             /* Note: The overhead of this loop is completely neligible */
 600             clearVsiteVelocities(start, nrend, md->ptype, v);
 601         }
 602
 603         /* We determine if we have a single T-coupling lambda value for all
 604          * atoms. That allows for better SIMD acceleration in the template.
 605          * If we do not do temperature coupling (in the run or this step),
 606          * all scaling values are 1, so we effectively have a single value.
 607          */
 608         bool haveSingleTempScaleValue = (!doTempCouple || ekind->ngtc == 1);
 609
 610         /* Extract some pointers needed by all cases */
 611         const unsigned short *cTC           = md->cTC;
 612         const t_grp_tcstat   *tcstat        = ekind->tcstat;
 613         const rvec           *invMassPerDim = md->invMassPerDim;
 614
 615         if (doParrinelloRahman)
 616         {
 617             GMX_ASSERT(!doPROffDiagonal, "updateMDLeapfrogSimple only support diagonal Parrinello-Rahman scaling matrices");
 618
 619             rvec diagM;
 620             for (int d = 0; d < DIM; d++)
 621             {
 622                 diagM[d] = M[d][d];
 623             }
 624
 625             if (haveSingleTempScaleValue)
 626             {
 627                 updateMDLeapfrogSimple
 628                 <NumTempScaleValues::single,
 629                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>
 630                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 631                     invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x, xprime, v, f);
 632             }
 633             else
 634             {
 635                 updateMDLeapfrogSimple
 636                 <NumTempScaleValues::multiple,
 637                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>
 638                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 639                     invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x, xprime, v, f);
 640             }
 641         }
 642         else
 643         {
 644             if (haveSingleTempScaleValue)
 645             {
 646                 /* Note that modern compilers are pretty good at vectorizing
 647                  * updateMDLeapfrogSimple(). But the SIMD version will still
 648                  * be faster because invMass lowers the cache pressure
 649                  * compared to invMassPerDim.
 650                  */
 651 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 652                 /* Check if we can use invmass instead of invMassPerDim */
 653                 if (!md->havePartiallyFrozenAtoms)
 654                 {
 655                     updateMDLeapfrogSimpleSimd
 656                         (start, nrend, dt, md->invmass, tcstat, x, xprime, v, f);
 657                 }
 658                 else
 659 #endif
 660                 {
 661                     updateMDLeapfrogSimple
 662                     <NumTempScaleValues::single,
 663                      ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>
 664                         (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 665                         invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr, x, xprime, v, f);
 666                 }
 667             }
 668             else
 669             {
 670                 updateMDLeapfrogSimple
 671                 <NumTempScaleValues::multiple,
 672                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>
 673                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 674                     invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr, x, xprime, v, f);
 675             }
 676         }
 677     }
 678 }
 679
 680 static void do_update_vv_vel(int start, int nrend, real dt,
 681                              const rvec accel[], const ivec nFreeze[], const real invmass[],
 682                              const unsigned short ptype[], const unsigned short cFREEZE[],
 683                              const unsigned short cACC[], rvec v[], const rvec f[],
 684                              gmx_bool bExtended, real veta, real alpha)
 685 {
 686     int    gf = 0, ga = 0;
 687     int    n, d;
 688     real   g, mv1, mv2;
 689
 690     if (bExtended)
 691     {
 692         g        = 0.25*dt*veta*alpha;
 693         mv1      = std::exp(-g);
 694         mv2      = gmx::series_sinhx(g);
 695     }
 696     else
 697     {
 698         mv1      = 1.0;
 699         mv2      = 1.0;
 700     }
 701     for (n = start; n < nrend; n++)
 702     {
 703         real w_dt = invmass[n]*dt;
 704         if (cFREEZE)
 705         {
 706             gf   = cFREEZE[n];
 707         }
 708         if (cACC)
 709         {
 710             ga   = cACC[n];
 711         }
 712
 713         for (d = 0; d < DIM; d++)
 714         {
 715             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 716             {
 717                 v[n][d]             = mv1*(mv1*v[n][d] + 0.5*(w_dt*mv2*f[n][d]))+0.5*accel[ga][d]*dt;
 718             }
 719             else
 720             {
 721                 v[n][d]        = 0.0;
 722             }
 723         }
 724     }
 725 } /* do_update_vv_vel */
 726
 727 static void do_update_vv_pos(int start, int nrend, real dt,
 728                              const ivec nFreeze[],
 729                              const unsigned short ptype[], const unsigned short cFREEZE[],
 730                              const rvec x[], rvec xprime[], const rvec v[],
 731                              gmx_bool bExtended, real veta)
 732 {
 733     int    gf = 0;
 734     int    n, d;
 735     real   g, mr1, mr2;
 736
 737     /* Would it make more sense if Parrinello-Rahman was put here? */
 738     if (bExtended)
 739     {
 740         g        = 0.5*dt*veta;
 741         mr1      = std::exp(g);
 742         mr2      = gmx::series_sinhx(g);
 743     }
 744     else
 745     {
 746         mr1      = 1.0;
 747         mr2      = 1.0;
 748     }
 749
 750     for (n = start; n < nrend; n++)
 751     {
 752
 753         if (cFREEZE)
 754         {
 755             gf   = cFREEZE[n];
 756         }
 757
 758         for (d = 0; d < DIM; d++)
 759         {
 760             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 761             {
 762                 xprime[n][d]   = mr1*(mr1*x[n][d]+mr2*dt*v[n][d]);
 763             }
 764             else
 765             {
 766                 xprime[n][d]   = x[n][d];
 767             }
 768         }
 769     }
 770 } /* do_update_vv_pos */
 771
 772 gmx_stochd_t::gmx_stochd_t(const t_inputrec *ir)
 773 {
 774     const t_grpopts *opts = &ir->opts;
 775     const int        ngtc = opts->ngtc;
 776
 777     if (ir->eI == eiBD)
 778     {
 779         bd_rf.resize(ngtc);
 780     }
 781     else if (EI_SD(ir->eI))
 782     {
 783         sdc.resize(ngtc);
 784         sdsig.resize(ngtc);
 785
 786         for (int gt = 0; gt < ngtc; gt++)
 787         {
 788             if (opts->tau_t[gt] > 0)
 789             {
 790                 sdc[gt].em  = std::exp(-ir->delta_t/opts->tau_t[gt]);
 791             }
 792             else
 793             {
 794                 /* No friction and noise on this group */
 795                 sdc[gt].em  = 1;
 796             }
 797         }
 798     }
 799     else if (ETC_ANDERSEN(ir->etc))
 800     {
 801         randomize_group.resize(ngtc);
 802         boltzfac.resize(ngtc);
 803
 804         /* for now, assume that all groups, if randomized, are randomized at the same rate, i.e. tau_t is the same. */
 805         /* since constraint groups don't necessarily match up with temperature groups! This is checked in readir.c */
 806
 807         for (int gt = 0; gt < ngtc; gt++)
 808         {
 809             real reft = std::max<real>(0, opts->ref_t[gt]);
 810             if ((opts->tau_t[gt] > 0) && (reft > 0))  /* tau_t or ref_t = 0 means that no randomization is done */
 811             {
 812                 randomize_group[gt] = true;
 813                 boltzfac[gt]        = BOLTZ*opts->ref_t[gt];
 814             }
 815             else
 816             {
 817                 randomize_group[gt] = false;
 818             }
 819         }
 820     }
 821 }
 822
 823 void update_temperature_constants(gmx_update_t *upd, const t_inputrec *ir)
 824 {
 825     if (ir->eI == eiBD)
 826     {
 827         if (ir->bd_fric != 0)
 828         {
 829             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 830             {
 831                 upd->sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0*BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt]/(ir->bd_fric*ir->delta_t));
 832             }
 833         }
 834         else
 835         {
 836             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 837             {
 838                 upd->sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0*BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt]);
 839             }
 840         }
 841     }
 842     if (ir->eI == eiSD1)
 843     {
 844         for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 845         {
 846             real kT = BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt];
 847             /* The mass is accounted for later, since this differs per atom */
 848             upd->sd->sdsig[gt].V  = std::sqrt(kT*(1 - upd->sd->sdc[gt].em*upd->sd->sdc[gt].em));
 849         }
 850     }
 851 }
 852
 853 gmx_update_t *init_update(const t_inputrec    *ir,
 854                           gmx::BoxDeformation *deform)
 855 {
 856     gmx_update_t *upd = new(gmx_update_t);
 857
 858     upd->sd    = gmx::compat::make_unique<gmx_stochd_t>(ir);
 859
 860     update_temperature_constants(upd, ir);
 861
 862     upd->xp.resizeWithPadding(0);
 863
 864     upd->deform = deform;
 865
 866     return upd;
 867 }
 868
 869 void update_realloc(gmx_update_t *upd, int natoms)
 870 {
 871     GMX_ASSERT(upd, "upd must be allocated before its fields can be reallocated");
 872
 873     upd->xp.resizeWithPadding(natoms);
 874 }
 875
 876 /*! \brief Sets the SD update type */
 877 enum class SDUpdate : int
 878 {
 879     ForcesOnly, FrictionAndNoiseOnly, Combined
 880 };
 881
 882 /*! \brief SD integrator update
 883  *
 884  * Two phases are required in the general case of a constrained
 885  * update, the first phase from the contribution of forces, before
 886  * applying constraints, and then a second phase applying the friction
 887  * and noise, and then further constraining. For details, see
 888  * Goga2012.
 889  *
 890  * Without constraints, the two phases can be combined, for
 891  * efficiency.
 892  *
 893  * Thus three instantiations of this templated function will be made,
 894  * two with only one contribution, and one with both contributions. */
 895 template <SDUpdate updateType>
 896 static void
 897 doSDUpdateGeneral(const gmx_stochd_t &sd,
 898                   int start, int nrend, real dt,
 899                   const rvec accel[], const ivec nFreeze[],
 900                   const real invmass[], const unsigned short ptype[],
 901                   const unsigned short cFREEZE[], const unsigned short cACC[],
 902                   const unsigned short cTC[],
 903                   const rvec x[], rvec xprime[], rvec v[], const rvec f[],
 904                   int64_t step, int seed, const int *gatindex)
 905 {
 906     // cTC, cACC and cFreeze can be nullptr any time, but various
 907     // instantiations do not make sense with particular pointer
 908     // values.
 909     if (updateType == SDUpdate::ForcesOnly)
 910     {
 911         GMX_ASSERT(f != nullptr, "SD update with only forces requires forces");
 912         GMX_ASSERT(cTC == nullptr, "SD update with only forces cannot handle temperature groups");
 913     }
 914     if (updateType == SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 915     {
 916         GMX_ASSERT(f == nullptr, "SD update with only noise cannot handle forces");
 917         GMX_ASSERT(cACC == nullptr, "SD update with only noise cannot handle acceleration groups");
 918     }
 919     if (updateType == SDUpdate::Combined)
 920     {
 921         GMX_ASSERT(f != nullptr, "SD update with forces and noise requires forces");
 922     }
 923
 924     // Even 0 bits internal counter gives 2x64 ints (more than enough for three table lookups)
 925     gmx::ThreeFry2x64<0> rng(seed, gmx::RandomDomain::UpdateCoordinates);
 926     gmx::TabulatedNormalDistribution<real, 14> dist;
 927
 928     for (int n = start; n < nrend; n++)
 929     {
 930         int globalAtomIndex = gatindex ? gatindex[n] : n;
 931         rng.restart(step, globalAtomIndex);
 932         dist.reset();
 933
 934         real inverseMass     = invmass[n];
 935         real invsqrtMass     = std::sqrt(inverseMass);
 936
 937         int  freezeGroup       = cFREEZE ? cFREEZE[n] : 0;
 938         int  accelerationGroup = cACC ? cACC[n] : 0;
 939         int  temperatureGroup  = cTC ? cTC[n] : 0;
 940
 941         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 942         {
 943             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[freezeGroup][d])
 944             {
 945                 if (updateType == SDUpdate::ForcesOnly)
 946                 {
 947                     real vn      = v[n][d] + (inverseMass*f[n][d] + accel[accelerationGroup][d])*dt;
 948                     v[n][d]      = vn;
 949                     // Simple position update.
 950                     xprime[n][d] = x[n][d] + v[n][d]*dt;
 951                 }
 952                 else if (updateType == SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 953                 {
 954                     real vn      = v[n][d];
 955                     v[n][d]      = (vn*sd.sdc[temperatureGroup].em +
 956                                     invsqrtMass*sd.sdsig[temperatureGroup].V*dist(rng));
 957                     // The previous phase already updated the
 958                     // positions with a full v*dt term that must
 959                     // now be half removed.
 960                     xprime[n][d] = xprime[n][d] + 0.5*(v[n][d] - vn)*dt;
 961                 }
 962                 else
 963                 {
 964                     real vn      = v[n][d] + (inverseMass*f[n][d] + accel[accelerationGroup][d])*dt;
 965                     v[n][d]      = (vn*sd.sdc[temperatureGroup].em +
 966                                     invsqrtMass*sd.sdsig[temperatureGroup].V*dist(rng));
 967                     // Here we include half of the friction+noise
 968                     // update of v into the position update.
 969                     xprime[n][d] = x[n][d] + 0.5*(vn + v[n][d])*dt;
 970                 }
 971             }
 972             else
 973             {
 974                 // When using constraints, the update is split into
 975                 // two phases, but we only need to zero the update of
 976                 // virtual, shell or frozen particles in at most one
 977                 // of the phases.
 978                 if (updateType != SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 979                 {
 980                     v[n][d]      = 0.0;
 981                     xprime[n][d] = x[n][d];
 982                 }
 983             }
 984         }
 985     }
 986 }
 987
 988 static void do_update_bd(int start, int nrend, real dt,
 989                          const ivec nFreeze[],
 990                          const real invmass[], const unsigned short ptype[],
 991                          const unsigned short cFREEZE[], const unsigned short cTC[],
 992                          const rvec x[], rvec xprime[], rvec v[],
 993                          const rvec f[], real friction_coefficient,
 994                          const real *rf, int64_t step, int seed,
 995                          const int* gatindex)
 996 {
 997     /* note -- these appear to be full step velocities . . .  */
 998     int    gf = 0, gt = 0;
 999     real   vn;
1000     real   invfr = 0;
1001     int    n, d;
1002     // Use 1 bit of internal counters to give us 2*2 64-bits values per stream
1003     // Each 64-bit value is enough for 4 normal distribution table numbers.
1004     gmx::ThreeFry2x64<0> rng(seed, gmx::RandomDomain::UpdateCoordinates);
1005     gmx::TabulatedNormalDistribution<real, 14> dist;
1006
1007     if (friction_coefficient != 0)
1008     {
1009         invfr = 1.0/friction_coefficient;
1010     }
1011
1012     for (n = start; (n < nrend); n++)
1013     {
1014         int  ng  = gatindex ? gatindex[n] : n;
1015
1016         rng.restart(step, ng);
1017         dist.reset();
1018
1019         if (cFREEZE)
1020         {
1021             gf = cFREEZE[n];
1022         }
1023         if (cTC)
1024         {
1025             gt = cTC[n];
1026         }
1027         for (d = 0; (d < DIM); d++)
1028         {
1029             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
1030             {
1031                 if (friction_coefficient != 0)
1032                 {
1033                     vn = invfr*f[n][d] + rf[gt]*dist(rng);
1034                 }
1035                 else
1036                 {
1037                     /* NOTE: invmass = 2/(mass*friction_constant*dt) */
1038                     vn = 0.5*invmass[n]*f[n][d]*dt
1039                         + std::sqrt(0.5*invmass[n])*rf[gt]*dist(rng);
1040                 }
1041
1042                 v[n][d]      = vn;
1043                 xprime[n][d] = x[n][d]+vn*dt;
1044             }
1045             else
1046             {
1047                 v[n][d]      = 0.0;
1048                 xprime[n][d] = x[n][d];
1049             }
1050         }
1051     }
1052 }
1053
1054 static void calc_ke_part_normal(const rvec v[], const t_grpopts *opts, const t_mdatoms *md,
1055                                 gmx_ekindata_t *ekind, t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel)
1056 {
1057     int           g;
1058     t_grp_tcstat *tcstat  = ekind->tcstat;
1059     t_grp_acc    *grpstat = ekind->grpstat;
1060     int           nthread, thread;
1061
1062     /* three main: VV with AveVel, vv with AveEkin, leap with AveEkin.  Leap with AveVel is also
1063        an option, but not supported now.
1064        bEkinAveVel: If TRUE, we sum into ekin, if FALSE, into ekinh.
1065      */
1066
1067     /* group velocities are calculated in update_ekindata and
1068      * accumulated in acumulate_groups.
1069      * Now the partial global and groups ekin.
1070      */
1071     for (g = 0; (g < opts->ngtc); g++)
1072     {
1073         copy_mat(tcstat[g].ekinh, tcstat[g].ekinh_old);
1074         if (bEkinAveVel)
1075         {
1076             clear_mat(tcstat[g].ekinf);
1077             tcstat[g].ekinscalef_nhc = 1.0;   /* need to clear this -- logic is complicated! */
1078         }
1079         else
1080         {
1081             clear_mat(tcstat[g].ekinh);
1082         }
1083     }
1084     ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
1085     nthread            = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1086
1087 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1088     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1089     {
1090         // This OpenMP only loops over arrays and does not call any functions
1091         // or memory allocation. It should not be able to throw, so for now
1092         // we do not need a try/catch wrapper.
1093         int     start_t, end_t, n;
1094         int     ga, gt;
1095         rvec    v_corrt;
1096         real    hm;
1097         int     d, m;
1098         matrix *ekin_sum;
1099         real   *dekindl_sum;
1100
1101         start_t = ((thread+0)*md->homenr)/nthread;
1102         end_t   = ((thread+1)*md->homenr)/nthread;
1103
1104         ekin_sum    = ekind->ekin_work[thread];
1105         dekindl_sum = ekind->dekindl_work[thread];
1106
1107         for (gt = 0; gt < opts->ngtc; gt++)
1108         {
1109             clear_mat(ekin_sum[gt]);
1110         }
1111         *dekindl_sum = 0.0;
1112
1113         ga = 0;
1114         gt = 0;
1115         for (n = start_t; n < end_t; n++)
1116         {
1117             if (md->cACC)
1118             {
1119                 ga = md->cACC[n];
1120             }
1121             if (md->cTC)
1122             {
1123                 gt = md->cTC[n];
1124             }
1125             hm   = 0.5*md->massT[n];
1126
1127             for (d = 0; (d < DIM); d++)
1128             {
1129                 v_corrt[d]  = v[n][d]  - grpstat[ga].u[d];
1130             }
1131             for (d = 0; (d < DIM); d++)
1132             {
1133                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
1134                 {
1135                     /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
1136                     ekin_sum[gt][m][d] += hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
1137                 }
1138             }
1139             if (md->nMassPerturbed && md->bPerturbed[n])
1140             {
1141                 *dekindl_sum +=
1142                     0.5*(md->massB[n] - md->massA[n])*iprod(v_corrt, v_corrt);
1143             }
1144         }
1145     }
1146
1147     ekind->dekindl = 0;
1148     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1149     {
1150         for (g = 0; g < opts->ngtc; g++)
1151         {
1152             if (bEkinAveVel)
1153             {
1154                 m_add(tcstat[g].ekinf, ekind->ekin_work[thread][g],
1155                       tcstat[g].ekinf);
1156             }
1157             else
1158             {
1159                 m_add(tcstat[g].ekinh, ekind->ekin_work[thread][g],
1160                       tcstat[g].ekinh);
1161             }
1162         }
1163
1164         ekind->dekindl += *ekind->dekindl_work[thread];
1165     }
1166
1167     inc_nrnb(nrnb, eNR_EKIN, md->homenr);
1168 }
1169
1170 static void calc_ke_part_visc(const matrix box, const rvec x[], const rvec v[],
1171                               const t_grpopts *opts, const t_mdatoms *md,
1172                               gmx_ekindata_t *ekind,
1173                               t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel)
1174 {
1175     int           start = 0, homenr = md->homenr;
1176     int           g, d, n, m, gt = 0;
1177     rvec          v_corrt;
1178     real          hm;
1179     t_grp_tcstat *tcstat = ekind->tcstat;
1180     t_cos_acc    *cosacc = &(ekind->cosacc);
1181     real          dekindl;
1182     real          fac, cosz;
1183     double        mvcos;
1184
1185     for (g = 0; g < opts->ngtc; g++)
1186     {
1187         copy_mat(ekind->tcstat[g].ekinh, ekind->tcstat[g].ekinh_old);
1188         clear_mat(ekind->tcstat[g].ekinh);
1189     }
1190     ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
1191
1192     fac     = 2*M_PI/box[ZZ][ZZ];
1193     mvcos   = 0;
1194     dekindl = 0;
1195     for (n = start; n < start+homenr; n++)
1196     {
1197         if (md->cTC)
1198         {
1199             gt = md->cTC[n];
1200         }
1201         hm   = 0.5*md->massT[n];
1202
1203         /* Note that the times of x and v differ by half a step */
1204         /* MRS -- would have to be changed for VV */
1205         cosz         = std::cos(fac*x[n][ZZ]);
1206         /* Calculate the amplitude of the new velocity profile */
1207         mvcos       += 2*cosz*md->massT[n]*v[n][XX];
1208
1209         copy_rvec(v[n], v_corrt);
1210         /* Subtract the profile for the kinetic energy */
1211         v_corrt[XX] -= cosz*cosacc->vcos;
1212         for (d = 0; (d < DIM); d++)
1213         {
1214             for (m = 0; (m < DIM); m++)
1215             {
1216                 /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
1217                 if (bEkinAveVel)
1218                 {
1219                     tcstat[gt].ekinf[m][d] += hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
1220                 }
1221                 else
1222                 {
1223                     tcstat[gt].ekinh[m][d] += hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
1224                 }
1225             }
1226         }
1227         if (md->nPerturbed && md->bPerturbed[n])
1228         {
1229             /* The minus sign here might be confusing.
1230              * The kinetic contribution from dH/dl doesn't come from
1231              * d m(l)/2 v^2 / dl, but rather from d p^2/2m(l) / dl,
1232              * where p are the momenta. The difference is only a minus sign.
1233              */
1234             dekindl -= 0.5*(md->massB[n] - md->massA[n])*iprod(v_corrt, v_corrt);
1235         }
1236     }
1237     ekind->dekindl = dekindl;
1238     cosacc->mvcos  = mvcos;
1239
1240     inc_nrnb(nrnb, eNR_EKIN, homenr);
1241 }
1242
1243 void calc_ke_part(const t_state *state, const t_grpopts *opts, const t_mdatoms *md,
1244                   gmx_ekindata_t *ekind, t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel)
1245 {
1246     if (ekind->cosacc.cos_accel == 0)
1247     {
1248         calc_ke_part_normal(state->v.rvec_array(), opts, md, ekind, nrnb, bEkinAveVel);
1249     }
1250     else
1251     {
1252         calc_ke_part_visc(state->box, state->x.rvec_array(), state->v.rvec_array(), opts, md, ekind, nrnb, bEkinAveVel);
1253     }
1254 }
1255
1256 extern void init_ekinstate(ekinstate_t *ekinstate, const t_inputrec *ir)
1257 {
1258     ekinstate->ekin_n = ir->opts.ngtc;
1259     snew(ekinstate->ekinh, ekinstate->ekin_n);
1260     snew(ekinstate->ekinf, ekinstate->ekin_n);
1261     snew(ekinstate->ekinh_old, ekinstate->ekin_n);
1262     ekinstate->ekinscalef_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1263     ekinstate->ekinscaleh_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1264     ekinstate->vscale_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1265     ekinstate->dekindl = 0;
1266     ekinstate->mvcos   = 0;
1267 }
1268
1269 void update_ekinstate(ekinstate_t *ekinstate, const gmx_ekindata_t *ekind)
1270 {
1271     int i;
1272
1273     for (i = 0; i < ekinstate->ekin_n; i++)
1274     {
1275         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh, ekinstate->ekinh[i]);
1276         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinf, ekinstate->ekinf[i]);
1277         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh_old, ekinstate->ekinh_old[i]);
1278         ekinstate->ekinscalef_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc;
1279         ekinstate->ekinscaleh_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc;
1280         ekinstate->vscale_nhc[i]     = ekind->tcstat[i].vscale_nhc;
1281     }
1282
1283     copy_mat(ekind->ekin, ekinstate->ekin_total);
1284     ekinstate->dekindl = ekind->dekindl;
1285     ekinstate->mvcos   = ekind->cosacc.mvcos;
1286
1287 }
1288
1289 void restore_ekinstate_from_state(const t_commrec *cr,
1290                                   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]),
1319                       ekind->tcstat[i].ekinh[0], cr);
1320             gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinf[0][0]),
1321                       ekind->tcstat[i].ekinf[0], cr);
1322             gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinh_old[0][0]),
1323                       ekind->tcstat[i].ekinh_old[0], cr);
1324
1325             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc),
1326                       &(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc), cr);
1327             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc),
1328                       &(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc), cr);
1329             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].vscale_nhc),
1330                       &(ekind->tcstat[i].vscale_nhc), cr);
1331         }
1332         gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->ekin[0][0]),
1333                   ekind->ekin[0], cr);
1334
1335         gmx_bcast(sizeof(ekind->dekindl), &ekind->dekindl, cr);
1336         gmx_bcast(sizeof(ekind->cosacc.mvcos), &ekind->cosacc.mvcos, cr);
1337     }
1338 }
1339
1340 void update_tcouple(int64_t           step,
1341                     const t_inputrec *inputrec,
1342                     t_state          *state,
1343                     gmx_ekindata_t   *ekind,
1344                     const t_extmass  *MassQ,
1345                     const t_mdatoms  *md)
1346
1347 {
1348     bool doTemperatureCoupling = false;
1349
1350     /* if using vv with trotter decomposition methods, we do this elsewhere in the code */
1351     if (!(EI_VV(inputrec->eI) &&
1352           (inputrecNvtTrotter(inputrec) || inputrecNptTrotter(inputrec) || inputrecNphTrotter(inputrec))))
1353     {
1354         doTemperatureCoupling = isTemperatureCouplingStep(step, inputrec);
1355     }
1356
1357     if (doTemperatureCoupling)
1358     {
1359         real dttc = inputrec->nsttcouple*inputrec->delta_t;
1360
1361         switch (inputrec->etc)
1362         {
1363             case etcNO:
1364                 break;
1365             case etcBERENDSEN:
1366                 berendsen_tcoupl(inputrec, ekind, dttc, state->therm_integral);
1367                 break;
1368             case etcNOSEHOOVER:
1369                 nosehoover_tcoupl(&(inputrec->opts), ekind, dttc,
1370                                   state->nosehoover_xi.data(), state->nosehoover_vxi.data(), MassQ);
1371                 break;
1372             case etcVRESCALE:
1373                 vrescale_tcoupl(inputrec, step, ekind, dttc,
1374                                 state->therm_integral.data());
1375                 break;
1376         }
1377         /* rescale in place here */
1378         if (EI_VV(inputrec->eI))
1379         {
1380             rescale_velocities(ekind, md, 0, md->homenr, state->v.rvec_array());
1381         }
1382     }
1383     else
1384     {
1385         /* Set the T scaling lambda to 1 to have no scaling */
1386         for (int i = 0; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
1387         {
1388             ekind->tcstat[i].lambda = 1.0;
1389         }
1390     }
1391 }
1392
1393 /*! \brief Computes the atom range for a thread to operate on, ensured SIMD aligned ranges
1394  *
1395  * \param[in]  numThreads   The number of threads to divide atoms over
1396  * \param[in]  threadIndex  The thread to get the range for
1397  * \param[in]  numAtoms     The total number of atoms (on this rank)
1398  * \param[out] startAtom    The start of the atom range
1399  * \param[out] endAtom      The end of the atom range, note that this is in general not a multiple of the SIMD width
1400  */
1401 static void getThreadAtomRange(int numThreads, int threadIndex, int numAtoms,
1402                                int *startAtom, int *endAtom)
1403 {
1404 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
1405     constexpr int blockSize = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
1406 #else
1407     constexpr int blockSize = 1;
1408 #endif
1409     int           numBlocks = (numAtoms + blockSize - 1)/blockSize;
1410
1411     *startAtom    = ((numBlocks* threadIndex     )/numThreads)*blockSize;
1412     *endAtom      = ((numBlocks*(threadIndex + 1))/numThreads)*blockSize;
1413     if (threadIndex == numThreads - 1)
1414     {
1415         *endAtom  = numAtoms;
1416     }
1417 }
1418
1419 void update_pcouple_before_coordinates(FILE             *fplog,
1420                                        int64_t           step,
1421                                        const t_inputrec *inputrec,
1422                                        t_state          *state,
1423                                        matrix            parrinellorahmanMu,
1424                                        matrix            M,
1425                                        gmx_bool          bInitStep)
1426 {
1427     /* Berendsen P-coupling is completely handled after the coordinate update.
1428      * Trotter P-coupling is handled by separate calls to trotter_update().
1429      */
1430     if (inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN &&
1431         isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1432     {
1433         real dtpc = inputrec->nstpcouple*inputrec->delta_t;
1434
1435         parrinellorahman_pcoupl(fplog, step, inputrec, dtpc, state->pres_prev,
1436                                 state->box, state->box_rel, state->boxv,
1437                                 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,
1469                       step, 1, 1.0,
1470                       state->x.rvec_array(), state->v.rvec_array(), state->v.rvec_array(),
1471                       state->box,
1472                       state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1473                       nullptr, bCalcVir ? &vir_con : nullptr, ConstraintVariable::Velocities);
1474
1475         if (bCalcVir)
1476         {
1477             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1478         }
1479     }
1480 }
1481
1482 void constrain_coordinates(int64_t                        step,
1483                            real                          *dvdlambda, /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1484                            t_state                       *state,
1485                            tensor                         vir_part,
1486                            gmx_update_t                  *upd,
1487                            gmx::Constraints              *constr,
1488                            gmx_bool                       bCalcVir,
1489                            bool                           do_log,
1490                            bool                           do_ene)
1491 {
1492     if (!constr)
1493     {
1494         return;
1495     }
1496
1497     {
1498         tensor vir_con;
1499
1500         /* clear out constraints before applying */
1501         clear_mat(vir_part);
1502
1503         /* Constrain the coordinates upd->xp */
1504         constr->apply(do_log, do_ene,
1505                       step, 1, 1.0,
1506                       state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array(), nullptr,
1507                       state->box,
1508                       state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1509                       as_rvec_array(state->v.data()), bCalcVir ? &vir_con : nullptr, ConstraintVariable::Positions);
1510
1511         if (bCalcVir)
1512         {
1513             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1514         }
1515     }
1516 }
1517
1518 void
1519 update_sd_second_half(int64_t                        step,
1520                       real                          *dvdlambda,   /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1521                       const t_inputrec              *inputrec,    /* input record and box stuff */
1522                       const t_mdatoms               *md,
1523                       t_state                       *state,
1524                       const t_commrec               *cr,
1525                       t_nrnb                        *nrnb,
1526                       gmx_wallcycle_t                wcycle,
1527                       gmx_update_t                  *upd,
1528                       gmx::Constraints              *constr,
1529                       bool                           do_log,
1530                       bool                           do_ene)
1531 {
1532     if (!constr)
1533     {
1534         return;
1535     }
1536     if (inputrec->eI == eiSD1)
1537     {
1538         int nth, th;
1539         int homenr = md->homenr;
1540
1541         /* Cast delta_t from double to real to make the integrators faster.
1542          * The only reason for having delta_t double is to get accurate values
1543          * for t=delta_t*step when step is larger than float precision.
1544          * For integration dt the accuracy of real suffices, since with
1545          * integral += dt*integrand the increment is nearly always (much) smaller
1546          * than the integral (and the integrand has real precision).
1547          */
1548         real dt     = inputrec->delta_t;
1549
1550         wallcycle_start(wcycle, ewcUPDATE);
1551
1552         nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1553
1554 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1555         for (th = 0; th < nth; th++)
1556         {
1557             try
1558             {
1559                 int start_th, end_th;
1560                 getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1561
1562                 doSDUpdateGeneral<SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly>
1563                     (*upd->sd,
1564                     start_th, end_th, dt,
1565                     inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1566                     md->invmass, md->ptype,
1567                     md->cFREEZE, nullptr, md->cTC,
1568                     state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array(),
1569                     state->v.rvec_array(), nullptr,
1570                     step, inputrec->ld_seed,
1571                     DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1572             }
1573             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1574         }
1575         inc_nrnb(nrnb, eNR_UPDATE, homenr);
1576         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1577
1578         /* Constrain the coordinates upd->xp for half a time step */
1579         constr->apply(do_log, do_ene,
1580                       step, 1, 0.5,
1581                       state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array(), nullptr,
1582                       state->box,
1583                       state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1584                       as_rvec_array(state->v.data()), nullptr, ConstraintVariable::Positions);
1585     }
1586 }
1587
1588 void finish_update(const t_inputrec              *inputrec,  /* input record and box stuff      */
1589                    const t_mdatoms               *md,
1590                    t_state                       *state,
1591                    const t_graph                 *graph,
1592                    t_nrnb                        *nrnb,
1593                    gmx_wallcycle_t                wcycle,
1594                    gmx_update_t                  *upd,
1595                    const gmx::Constraints        *constr)
1596 {
1597     int homenr = md->homenr;
1598
1599     /* We must always unshift after updating coordinates; if we did not shake
1600        x was shifted in do_force */
1601
1602     /* NOTE Currently we always integrate to a temporary buffer and
1603      * then copy the results back. */
1604     {
1605         wallcycle_start_nocount(wcycle, ewcUPDATE);
1606
1607         if (md->cFREEZE != nullptr && constr != nullptr)
1608         {
1609             /* If we have atoms that are frozen along some, but not all
1610              * dimensions, then any constraints will have moved them also along
1611              * the frozen dimensions. To freeze such degrees of freedom
1612              * we copy them back here to later copy them forward. It would
1613              * be more elegant and slightly more efficient to copies zero
1614              * times instead of twice, but the graph case below prevents this.
1615              */
1616             const ivec *nFreeze                     = inputrec->opts.nFreeze;
1617             bool        partialFreezeAndConstraints = false;
1618             for (int g = 0; g < inputrec->opts.ngfrz; g++)
1619             {
1620                 int numFreezeDim = nFreeze[g][XX] + nFreeze[g][YY] + nFreeze[g][ZZ];
1621                 if (numFreezeDim > 0 && numFreezeDim < 3)
1622                 {
1623                     partialFreezeAndConstraints = true;
1624                 }
1625             }
1626             if (partialFreezeAndConstraints)
1627             {
1628                 auto xp = makeArrayRef(upd->xp).subArray(0, homenr);
1629                 auto x  = makeConstArrayRef(state->x).subArray(0, homenr);
1630                 for (int i = 0; i < homenr; i++)
1631                 {
1632                     int g = md->cFREEZE[i];
1633
1634                     for (int d = 0; d < DIM; d++)
1635                     {
1636                         if (nFreeze[g][d])
1637                         {
1638                             xp[i][d] = x[i][d];
1639                         }
1640                     }
1641                 }
1642             }
1643         }
1644
1645         if (graph && (graph->nnodes > 0))
1646         {
1647             unshift_x(graph, state->box, state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array());
1648             if (TRICLINIC(state->box))
1649             {
1650                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, 2*graph->nnodes);
1651             }
1652             else
1653             {
1654                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, graph->nnodes);
1655             }
1656         }
1657         else
1658         {
1659             auto           xp = makeConstArrayRef(upd->xp).subArray(0, homenr);
1660             auto           x  = makeArrayRef(state->x).subArray(0, homenr);
1661 #ifndef __clang_analyzer__
1662             int gmx_unused nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1663 #endif
1664 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1665             for (int i = 0; i < homenr; i++)
1666             {
1667                 // Trivial statement, does not throw
1668                 x[i] = xp[i];
1669             }
1670         }
1671         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1672     }
1673     /* ############# END the update of velocities and positions ######### */
1674 }
1675
1676 void update_pcouple_after_coordinates(FILE             *fplog,
1677                                       int64_t           step,
1678                                       const t_inputrec *inputrec,
1679                                       const t_mdatoms  *md,
1680                                       const matrix      pressure,
1681                                       const matrix      forceVirial,
1682                                       const matrix      constraintVirial,
1683                                       const matrix      parrinellorahmanMu,
1684                                       t_state          *state,
1685                                       t_nrnb           *nrnb,
1686                                       gmx_update_t     *upd)
1687 {
1688     int  start  = 0;
1689     int  homenr = md->homenr;
1690
1691     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1692     real dt     = inputrec->delta_t;
1693
1694
1695     /* now update boxes */
1696     switch (inputrec->epc)
1697     {
1698         case (epcNO):
1699             break;
1700         case (epcBERENDSEN):
1701             if (isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1702             {
1703                 real   dtpc = inputrec->nstpcouple*dt;
1704                 matrix mu;
1705                 berendsen_pcoupl(fplog, step, inputrec, dtpc,
1706                                  pressure, state->box,
1707                                  forceVirial, constraintVirial,
1708                                  mu, &state->baros_integral);
1709                 berendsen_pscale(inputrec, mu, state->box, state->box_rel,
1710                                  start, homenr, state->x.rvec_array(),
1711                                  md->cFREEZE, nrnb);
1712             }
1713             break;
1714         case (epcPARRINELLORAHMAN):
1715             if (isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1716             {
1717                 /* The box velocities were updated in do_pr_pcoupl,
1718                  * but we dont change the box vectors until we get here
1719                  * since we need to be able to shift/unshift above.
1720                  */
1721                 real dtpc = inputrec->nstpcouple*dt;
1722                 for (int i = 0; i < DIM; i++)
1723                 {
1724                     for (int m = 0; m <= i; m++)
1725                     {
1726                         state->box[i][m] += dtpc*state->boxv[i][m];
1727                     }
1728                 }
1729                 preserve_box_shape(inputrec, state->box_rel, state->box);
1730
1731                 /* Scale the coordinates */
1732                 auto x = state->x.rvec_array();
1733                 for (int n = start; n < start + homenr; n++)
1734                 {
1735                     tmvmul_ur0(parrinellorahmanMu, x[n], x[n]);
1736                 }
1737             }
1738             break;
1739         case (epcMTTK):
1740             switch (inputrec->epct)
1741             {
1742                 case (epctISOTROPIC):
1743                     /* DIM * eta = ln V.  so DIM*eta_new = DIM*eta_old + DIM*dt*veta =>
1744                        ln V_new = ln V_old + 3*dt*veta => V_new = V_old*exp(3*dt*veta) =>
1745                        Side length scales as exp(veta*dt) */
1746
1747                     msmul(state->box, std::exp(state->veta*dt), state->box);
1748
1749                     /* Relate veta to boxv.  veta = d(eta)/dT = (1/DIM)*1/V dV/dT.
1750                        o               If we assume isotropic scaling, and box length scaling
1751                        factor L, then V = L^DIM (det(M)).  So dV/dt = DIM
1752                        L^(DIM-1) dL/dt det(M), and veta = (1/L) dL/dt.  The
1753                        determinant of B is L^DIM det(M), and the determinant
1754                        of dB/dt is (dL/dT)^DIM det (M).  veta will be
1755                        (det(dB/dT)/det(B))^(1/3).  Then since M =
1756                        B_new*(vol_new)^(1/3), dB/dT_new = (veta_new)*B(new). */
1757
1758                     msmul(state->box, state->veta, state->boxv);
1759                     break;
1760                 default:
1761                     break;
1762             }
1763             break;
1764         default:
1765             break;
1766     }
1767
1768     if (upd->deform)
1769     {
1770         auto localX = makeArrayRef(state->x).subArray(start, homenr);
1771         upd->deform->apply(localX, state->box, step);
1772     }
1773 }
1774
1775 void update_coords(int64_t                             step,
1776                    const t_inputrec                   *inputrec, /* input record and box stuff  */
1777                    const t_mdatoms                    *md,
1778                    t_state                            *state,
1779                    gmx::ArrayRefWithPadding<gmx::RVec> f,
1780                    const t_fcdata                     *fcd,
1781                    const gmx_ekindata_t               *ekind,
1782                    const matrix                        M,
1783                    gmx_update_t                       *upd,
1784                    int                                 UpdatePart,
1785                    const t_commrec                    *cr, /* these shouldn't be here -- need to think about it */
1786                    const gmx::Constraints             *constr)
1787 {
1788     gmx_bool bDoConstr = (nullptr != constr);
1789
1790     /* Running the velocity half does nothing except for velocity verlet */
1791     if ((UpdatePart == etrtVELOCITY1 || UpdatePart == etrtVELOCITY2) &&
1792         !EI_VV(inputrec->eI))
1793     {
1794         gmx_incons("update_coords called for velocity without VV integrator");
1795     }
1796
1797     int  homenr = md->homenr;
1798
1799     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1800     real dt     = inputrec->delta_t;
1801
1802     /* We need to update the NMR restraint history when time averaging is used */
1803     if (state->flags & (1<<estDISRE_RM3TAV))
1804     {
1805         update_disres_history(fcd, &state->hist);
1806     }
1807     if (state->flags & (1<<estORIRE_DTAV))
1808     {
1809         update_orires_history(fcd, &state->hist);
1810     }
1811
1812     /* ############# START The update of velocities and positions ######### */
1813     int nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1814
1815 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1816     for (int th = 0; th < nth; th++)
1817     {
1818         try
1819         {
1820             int start_th, end_th;
1821             getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1822
1823             const rvec *x_rvec  = state->x.rvec_array();
1824             rvec       *xp_rvec = upd->xp.rvec_array();
1825             rvec       *v_rvec  = state->v.rvec_array();
1826             const rvec *f_rvec  = as_rvec_array(f.unpaddedArrayRef().data());
1827
1828             switch (inputrec->eI)
1829             {
1830                 case (eiMD):
1831                     do_update_md(start_th, end_th, step, dt,
1832                                  inputrec, md, ekind, state->box,
1833                                  x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1834                                  state->nosehoover_vxi.data(), M);
1835                     break;
1836                 case (eiSD1):
1837                     if (bDoConstr)
1838                     {
1839                         // With constraints, the SD update is done in 2 parts
1840                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::ForcesOnly>
1841                             (*upd->sd,
1842                             start_th, end_th, dt,
1843                             inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1844                             md->invmass, md->ptype,
1845                             md->cFREEZE, md->cACC, nullptr,
1846                             x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1847                             step, inputrec->ld_seed, nullptr);
1848                     }
1849                     else
1850                     {
1851                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::Combined>
1852                             (*upd->sd,
1853                             start_th, end_th, dt,
1854                             inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1855                             md->invmass, md->ptype,
1856                             md->cFREEZE, md->cACC, md->cTC,
1857                             x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1858                             step, inputrec->ld_seed,
1859                             DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1860                     }
1861                     break;
1862                 case (eiBD):
1863                     do_update_bd(start_th, end_th, dt,
1864                                  inputrec->opts.nFreeze, md->invmass, md->ptype,
1865                                  md->cFREEZE, md->cTC,
1866                                  x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1867                                  inputrec->bd_fric,
1868                                  upd->sd->bd_rf.data(),
1869                                  step, inputrec->ld_seed, DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1870                     break;
1871                 case (eiVV):
1872                 case (eiVVAK):
1873                 {
1874                     gmx_bool bExtended = (inputrec->etc == etcNOSEHOOVER ||
1875                                           inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN ||
1876                                           inputrec->epc == epcMTTK);
1877
1878                     /* assuming barostat coupled to group 0 */
1879                     real alpha = 1.0 + DIM/static_cast<real>(inputrec->opts.nrdf[0]);
1880                     switch (UpdatePart)
1881                     {
1882                         case etrtVELOCITY1:
1883                         case etrtVELOCITY2:
1884                             do_update_vv_vel(start_th, end_th, dt,
1885                                              inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1886                                              md->invmass, md->ptype,
1887                                              md->cFREEZE, md->cACC,
1888                                              v_rvec, f_rvec,
1889                                              bExtended, state->veta, alpha);
1890                             break;
1891                         case etrtPOSITION:
1892                             do_update_vv_pos(start_th, end_th, dt,
1893                                              inputrec->opts.nFreeze,
1894                                              md->ptype, md->cFREEZE,
1895                                              x_rvec, xp_rvec, v_rvec,
1896                                              bExtended, state->veta);
1897                             break;
1898                     }
1899                     break;
1900                 }
1901                 default:
1902                     gmx_fatal(FARGS, "Don't know how to update coordinates");
1903             }
1904         }
1905         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1906     }
1907
1908 }
1909
1910 extern gmx_bool update_randomize_velocities(const t_inputrec *ir, int64_t step, const t_commrec *cr,
1911                                             const t_mdatoms *md,
1912                                             gmx::ArrayRef<gmx::RVec> v,
1913                                             const gmx_update_t *upd,
1914                                             const gmx::Constraints *constr)
1915 {
1916
1917     real rate = (ir->delta_t)/ir->opts.tau_t[0];
1918
1919     if (ir->etc == etcANDERSEN && constr != nullptr)
1920     {
1921         /* Currently, Andersen thermostat does not support constrained
1922            systems. Functionality exists in the andersen_tcoupl
1923            function in GROMACS 4.5.7 to allow this combination. That
1924            code could be ported to the current random-number
1925            generation approach, but has not yet been done because of
1926            lack of time and resources. */
1927         gmx_fatal(FARGS, "Normal Andersen is currently not supported with constraints, use massive Andersen instead");
1928     }
1929
1930     /* proceed with andersen if 1) it's fixed probability per
1931        particle andersen or 2) it's massive andersen and it's tau_t/dt */
1932     if ((ir->etc == etcANDERSEN) || do_per_step(step, roundToInt(1.0/rate)))
1933     {
1934         andersen_tcoupl(ir, step, cr, md, v, rate,
1935                         upd->sd->randomize_group,
1936                         upd->sd->boltzfac);
1937         return TRUE;
1938     }
1939     return FALSE;
1940 }