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, 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/domdec/domdec_struct.h"
  47 #include "gromacs/fileio/confio.h"
  48 #include "gromacs/gmxlib/network.h"
  49 #include "gromacs/gmxlib/nrnb.h"
  50 #include "gromacs/listed-forces/disre.h"
  51 #include "gromacs/listed-forces/orires.h"
  52 #include "gromacs/math/functions.h"
  53 #include "gromacs/math/invertmatrix.h"
  54 #include "gromacs/math/paddedvector.h"
  55 #include "gromacs/math/units.h"
  56 #include "gromacs/math/vec.h"
  57 #include "gromacs/math/vecdump.h"
  58 #include "gromacs/mdlib/boxdeformation.h"
  59 #include "gromacs/mdlib/constr.h"
  60 #include "gromacs/mdlib/gmx_omp_nthreads.h"
  61 #include "gromacs/mdlib/mdrun.h"
  62 #include "gromacs/mdlib/sim_util.h"
  63 #include "gromacs/mdlib/tgroup.h"
  64 #include "gromacs/mdtypes/commrec.h"
  65 #include "gromacs/mdtypes/group.h"
  66 #include "gromacs/mdtypes/inputrec.h"
  67 #include "gromacs/mdtypes/md_enums.h"
  68 #include "gromacs/mdtypes/state.h"
  69 #include "gromacs/pbcutil/boxutilities.h"
  70 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  71 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  72 #include "gromacs/pulling/pull.h"
  73 #include "gromacs/random/tabulatednormaldistribution.h"
  74 #include "gromacs/random/threefry.h"
  75 #include "gromacs/simd/simd.h"
  76 #include "gromacs/timing/wallcycle.h"
  77 #include "gromacs/topology/atoms.h"
  78 #include "gromacs/utility/exceptions.h"
  79 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  80 #include "gromacs/utility/futil.h"
  81 #include "gromacs/utility/gmxassert.h"
  82 #include "gromacs/utility/gmxomp.h"
  83 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  84
  85 using namespace gmx; // TODO: Remove when this file is moved into gmx namespace
  86
  87 typedef struct {
  88     double em;
  89 } gmx_sd_const_t;
  90
  91 typedef struct {
  92     real V;
  93 } gmx_sd_sigma_t;
  94
  95 typedef struct {
  96     /* BD stuff */
  97     real           *bd_rf;
  98     /* SD stuff */
  99     gmx_sd_const_t *sdc;
 100     gmx_sd_sigma_t *sdsig;
 101     /* andersen temperature control stuff */
 102     gmx_bool       *randomize_group;
 103     real           *boltzfac;
 104 } gmx_stochd_t;
 105
 106 struct gmx_update_t
 107 {
 108     gmx_stochd_t     *sd;
 109     /* xprime for constraint algorithms */
 110     PaddedRVecVector  xp;
 111
 112     /* Variables for the deform algorithm */
 113     int64_t           deformref_step;
 114     matrix            deformref_box;
 115
 116     //! Box deformation handler (or nullptr if inactive).
 117     gmx::BoxDeformation *deform;
 118 };
 119
 120 static bool isTemperatureCouplingStep(int64_t step, const t_inputrec *ir)
 121 {
 122     /* We should only couple after a step where energies were determined (for leapfrog versions)
 123        or the step energies are determined, for velocity verlet versions */
 124     int offset;
 125     if (EI_VV(ir->eI))
 126     {
 127         offset = 0;
 128     }
 129     else
 130     {
 131         offset = 1;
 132     }
 133     return ir->etc != etcNO &&
 134            (ir->nsttcouple == 1 ||
 135             do_per_step(step + ir->nsttcouple - offset, ir->nsttcouple));
 136 }
 137
 138 static bool isPressureCouplingStep(int64_t step, const t_inputrec *ir)
 139 {
 140     GMX_ASSERT(ir->epc != epcMTTK, "MTTK pressure coupling is not handled here");
 141
 142     int offset;
 143     if (ir->epc == epcBERENDSEN)
 144     {
 145         offset = 0;
 146     }
 147     else
 148     {
 149         offset = 1;
 150     }
 151     /* We should only couple after a step where pressures were determined */
 152     return ir->epc != etcNO &&
 153            (ir->nstpcouple == 1 ||
 154             do_per_step(step + ir->nstpcouple - offset, ir->nstpcouple));
 155 }
 156
 157 /*! \brief Sets the velocities of virtual sites to zero */
 158 static void clearVsiteVelocities(int                   start,
 159                                  int                   nrend,
 160                                  const unsigned short *particleType,
 161                                  rvec * gmx_restrict   v)
 162 {
 163     for (int a = start; a < nrend; a++)
 164     {
 165         if (particleType[a] == eptVSite)
 166         {
 167             clear_rvec(v[a]);
 168         }
 169     }
 170 }
 171
 172 /*! \brief Sets the number of different temperature coupling values */
 173 enum class NumTempScaleValues
 174 {
 175     single,   //!< Single T-scaling value (either one group or all values =1)
 176     multiple  //!< Multiple T-scaling values, need to use T-group indices
 177 };
 178
 179 /*! \brief Sets if to apply no or diagonal Parrinello-Rahman pressure scaling
 180  *
 181  * Note that this enum is only used in updateMDLeapfrogSimple(), which does
 182  * not handle fully anistropic Parrinello-Rahman scaling, so we only have
 183  * options \p no and \p diagonal here and no anistropic option.
 184  */
 185 enum class ApplyParrinelloRahmanVScaling
 186 {
 187     no,       //!< Do not apply velocity scaling (not a PR-coupling run or step)
 188     diagonal  //!< Apply velocity scaling using a diagonal matrix
 189 };
 190
 191 /*! \brief Integrate using leap-frog with T-scaling and optionally diagonal Parrinello-Rahman p-coupling
 192  *
 193  * \tparam       numTempScaleValues     The number of different T-couple values
 194  * \tparam       applyPRVScaling        Apply Parrinello-Rahman velocity scaling
 195  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 196  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 197  * \param[in]    dt                     The time step
 198  * \param[in]    dtPressureCouple       Time step for pressure coupling
 199  * \param[in]    invMassPerDim          1/mass per atom and dimension
 200  * \param[in]    tcstat                 Temperature coupling information
 201  * \param[in]    cTC                    T-coupling group index per atom
 202  * \param[in]    pRVScaleMatrixDiagonal Parrinello-Rahman v-scale matrix diagonal
 203  * \param[in]    x                      Input coordinates
 204  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 205  * \param[inout] v                      Velocities
 206  * \param[in]    f                      Forces
 207  *
 208  * We expect this template to get good SIMD acceleration by most compilers,
 209  * unlike the more complex general template.
 210  * Note that we might get even better SIMD acceleration when we introduce
 211  * aligned (and padded) memory, possibly with some hints for the compilers.
 212  */
 213 template<NumTempScaleValues            numTempScaleValues,
 214          ApplyParrinelloRahmanVScaling applyPRVScaling>
 215 static void
 216 updateMDLeapfrogSimple(int                       start,
 217                        int                       nrend,
 218                        real                      dt,
 219                        real                      dtPressureCouple,
 220                        const rvec * gmx_restrict invMassPerDim,
 221                        const t_grp_tcstat      * tcstat,
 222                        const unsigned short    * cTC,
 223                        const rvec                pRVScaleMatrixDiagonal,
 224                        const rvec * gmx_restrict x,
 225                        rvec       * gmx_restrict xprime,
 226                        rvec       * gmx_restrict v,
 227                        const rvec * gmx_restrict f)
 228 {
 229     real lambdaGroup;
 230
 231     if (numTempScaleValues == NumTempScaleValues::single)
 232     {
 233         lambdaGroup = tcstat[0].lambda;
 234     }
 235
 236     for (int a = start; a < nrend; a++)
 237     {
 238         if (numTempScaleValues == NumTempScaleValues::multiple)
 239         {
 240             lambdaGroup = tcstat[cTC[a]].lambda;
 241         }
 242
 243         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 244         {
 245             /* Note that using rvec invMassPerDim results in more efficient
 246              * SIMD code, but this increases the cache pressure.
 247              * For large systems with PME on the CPU this slows down the
 248              * (then already slow) update by 20%. If all data remains in cache,
 249              * using rvec is much faster.
 250              */
 251             real vNew = lambdaGroup*v[a][d] + f[a][d]*invMassPerDim[a][d]*dt;
 252
 253             if (applyPRVScaling == ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal)
 254             {
 255                 vNew -= dtPressureCouple*pRVScaleMatrixDiagonal[d]*v[a][d];
 256             }
 257             v[a][d]      = vNew;
 258             xprime[a][d] = x[a][d] + vNew*dt;
 259         }
 260     }
 261 }
 262
 263 #if GMX_SIMD && GMX_SIMD_HAVE_REAL
 264 #define GMX_HAVE_SIMD_UPDATE 1
 265 #else
 266 #define GMX_HAVE_SIMD_UPDATE 0
 267 #endif
 268
 269 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 270
 271 /*! \brief Load (aligned) the contents of GMX_SIMD_REAL_WIDTH rvec elements sequentially into 3 SIMD registers
 272  *
 273  * The loaded output is:
 274  * \p r0: { r[index][XX], r[index][YY], ... }
 275  * \p r1: { ... }
 276  * \p r2: { ..., r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1][YY], r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1][ZZ] }
 277  *
 278  * \param[in]  r      Real to an rvec array, has to be aligned to SIMD register width
 279  * \param[in]  index  Index of the first rvec triplet of reals to load
 280  * \param[out] r0     Pointer to first SIMD register
 281  * \param[out] r1     Pointer to second SIMD register
 282  * \param[out] r2     Pointer to third SIMD register
 283  */
 284 static inline void simdLoadRvecs(const rvec *r,
 285                                  int         index,
 286                                  SimdReal   *r0,
 287                                  SimdReal   *r1,
 288                                  SimdReal   *r2)
 289 {
 290     const real *realPtr = r[index];
 291
 292     GMX_ASSERT(isSimdAligned(realPtr), "Pointer should be SIMD aligned");
 293
 294     *r0 = simdLoad(realPtr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 295     *r1 = simdLoad(realPtr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 296     *r2 = simdLoad(realPtr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
 297 }
 298
 299 /*! \brief Store (aligned) 3 SIMD registers sequentially to GMX_SIMD_REAL_WIDTH rvec elements
 300  *
 301  * The stored output is:
 302  * \p r[index] = { { r0[0], r0[1], ... }
 303  * ...
 304  * \p r[index+GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1] =  { ... , r2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH-2], r2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH-1] }
 305  *
 306  * \param[out] r      Pointer to an rvec array, has to be aligned to SIMD register width
 307  * \param[in]  index  Index of the first rvec triplet of reals to store to
 308  * \param[in]  r0     First SIMD register
 309  * \param[in]  r1     Second SIMD register
 310  * \param[in]  r2     Third SIMD register
 311  */
 312 static inline void simdStoreRvecs(rvec     *r,
 313                                   int       index,
 314                                   SimdReal  r0,
 315                                   SimdReal  r1,
 316                                   SimdReal  r2)
 317 {
 318     real *realPtr = r[index];
 319
 320     GMX_ASSERT(isSimdAligned(realPtr), "Pointer should be SIMD aligned");
 321
 322     store(realPtr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r0);
 323     store(realPtr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r1);
 324     store(realPtr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, r2);
 325 }
 326
 327 /*! \brief Integrate using leap-frog with single group T-scaling and SIMD
 328  *
 329  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 330  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 331  * \param[in]    dt                     The time step
 332  * \param[in]    invMass                1/mass per atom
 333  * \param[in]    tcstat                 Temperature coupling information
 334  * \param[in]    x                      Input coordinates
 335  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 336  * \param[inout] v                      Velocities
 337  * \param[in]    f                      Forces
 338  */
 339 static void
 340 updateMDLeapfrogSimpleSimd(int                       start,
 341                            int                       nrend,
 342                            real                      dt,
 343                            const real * gmx_restrict invMass,
 344                            const t_grp_tcstat      * tcstat,
 345                            const rvec * gmx_restrict x,
 346                            rvec       * gmx_restrict xprime,
 347                            rvec       * gmx_restrict v,
 348                            const rvec * gmx_restrict f)
 349 {
 350     SimdReal                  timestep(dt);
 351     SimdReal                  lambdaSystem(tcstat[0].lambda);
 352
 353     /* We declare variables here, since code is often slower when declaring them inside the loop */
 354
 355     /* Note: We should implement a proper PaddedVector, so we don't need this check */
 356     GMX_ASSERT(isSimdAligned(invMass), "invMass should be aligned");
 357
 358     for (int a = start; a < nrend; a += GMX_SIMD_REAL_WIDTH)
 359     {
 360         SimdReal invMass0, invMass1, invMass2;
 361         expandScalarsToTriplets(simdLoad(invMass + a),
 362                                 &invMass0, &invMass1, &invMass2);
 363
 364         SimdReal v0, v1, v2;
 365         SimdReal f0, f1, f2;
 366         simdLoadRvecs(v, a, &v0, &v1, &v2);
 367         simdLoadRvecs(f, a, &f0, &f1, &f2);
 368
 369         v0 = fma(f0*invMass0, timestep, lambdaSystem*v0);
 370         v1 = fma(f1*invMass1, timestep, lambdaSystem*v1);
 371         v2 = fma(f2*invMass2, timestep, lambdaSystem*v2);
 372
 373         simdStoreRvecs(v, a, v0, v1, v2);
 374
 375         SimdReal x0, x1, x2;
 376         simdLoadRvecs(x, a, &x0, &x1, &x2);
 377
 378         SimdReal xprime0 = fma(v0, timestep, x0);
 379         SimdReal xprime1 = fma(v1, timestep, x1);
 380         SimdReal xprime2 = fma(v2, timestep, x2);
 381
 382         simdStoreRvecs(xprime, a, xprime0, xprime1, xprime2);
 383     }
 384 }
 385
 386 #endif // GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 387
 388 /*! \brief Sets the NEMD acceleration type */
 389 enum class AccelerationType
 390 {
 391     none, group, cosine
 392 };
 393
 394 /*! \brief Integrate using leap-frog with support for everything
 395  *
 396  * \tparam       accelerationType       Type of NEMD acceleration
 397  * \param[in]    start                  Index of first atom to update
 398  * \param[in]    nrend                  Last atom to update: \p nrend - 1
 399  * \param[in]    doNoseHoover           If to apply Nose-Hoover T-coupling
 400  * \param[in]    dt                     The time step
 401  * \param[in]    dtPressureCouple       Time step for pressure coupling, is 0 when no pressure coupling should be applied at this step
 402  * \param[in]    ir                     The input parameter record
 403  * \param[in]    md                     Atom properties
 404  * \param[in]    ekind                  Kinetic energy data
 405  * \param[in]    box                    The box dimensions
 406  * \param[in]    x                      Input coordinates
 407  * \param[out]   xprime                 Updated coordinates
 408  * \param[inout] v                      Velocities
 409  * \param[in]    f                      Forces
 410  * \param[in]    nh_vxi                 Nose-Hoover velocity scaling factors
 411  * \param[in]    M                      Parrinello-Rahman scaling matrix
 412  */
 413 template<AccelerationType accelerationType>
 414 static void
 415 updateMDLeapfrogGeneral(int                         start,
 416                         int                         nrend,
 417                         bool                        doNoseHoover,
 418                         real                        dt,
 419                         real                        dtPressureCouple,
 420                         const t_inputrec          * ir,
 421                         const t_mdatoms           * md,
 422                         const gmx_ekindata_t      * ekind,
 423                         const matrix                box,
 424                         const rvec   * gmx_restrict x,
 425                         rvec         * gmx_restrict xprime,
 426                         rvec         * gmx_restrict v,
 427                         const rvec   * gmx_restrict f,
 428                         const double * gmx_restrict nh_vxi,
 429                         const matrix                M)
 430 {
 431     /* This is a version of the leap-frog integrator that supports
 432      * all combinations of T-coupling, P-coupling and NEMD.
 433      * Nose-Hoover uses the reversible leap-frog integrator from
 434      * Holian et al. Phys Rev E 52(3) : 2338, 1995
 435      */
 436
 437     const unsigned short    * cTC           = md->cTC;
 438     const t_grp_tcstat      * tcstat        = ekind->tcstat;
 439
 440     const unsigned short    * cACC          = md->cACC;
 441     const rvec              * accel         = ir->opts.acc;
 442     const t_grp_acc         * grpstat       = ekind->grpstat;
 443
 444     const rvec * gmx_restrict invMassPerDim = md->invMassPerDim;
 445
 446     /* Initialize group values, changed later when multiple groups are used */
 447     int  ga       = 0;
 448     int  gt       = 0;
 449     real factorNH = 0;
 450
 451     for (int n = start; n < nrend; n++)
 452     {
 453         if (cTC)
 454         {
 455             gt  = cTC[n];
 456         }
 457         real lg = tcstat[gt].lambda;
 458
 459         rvec vRel;
 460         real cosineZ, vCosine;
 461 #ifdef __INTEL_COMPILER
 462 #pragma warning( disable : 280 )
 463 #endif
 464         switch (accelerationType)
 465         {
 466             case AccelerationType::none:
 467                 copy_rvec(v[n], vRel);
 468                 break;
 469             case AccelerationType::group:
 470                 if (cACC)
 471                 {
 472                     ga = cACC[n];
 473                 }
 474                 /* Avoid scaling the group velocity */
 475                 rvec_sub(v[n], grpstat[ga].u, vRel);
 476                 break;
 477             case AccelerationType::cosine:
 478                 cosineZ = std::cos(x[n][ZZ]*static_cast<real>(M_PI)/box[ZZ][ZZ]);
 479                 vCosine = cosineZ*ekind->cosacc.vcos;
 480                 /* Avoid scaling the cosine profile velocity */
 481                 copy_rvec(v[n], vRel);
 482                 vRel[XX] -= vCosine;
 483                 break;
 484         }
 485
 486         if (doNoseHoover)
 487         {
 488             /* Here we account for multiple time stepping, by increasing
 489              * the Nose-Hoover correction by nsttcouple
 490              */
 491             factorNH = 0.5*ir->nsttcouple*dt*nh_vxi[gt];
 492         }
 493
 494         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 495         {
 496             real vNew =
 497                 (lg*vRel[d] + (f[n][d]*invMassPerDim[n][d]*dt - factorNH*vRel[d]
 498                                - dtPressureCouple*iprod(M[d], vRel)))/(1 + factorNH);
 499             switch (accelerationType)
 500             {
 501                 case AccelerationType::none:
 502                     break;
 503                 case AccelerationType::group:
 504                     /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 505                     vNew += grpstat[ga].u[d] + accel[ga][d]*dt;
 506                     break;
 507                 case AccelerationType::cosine:
 508                     if (d == XX)
 509                     {
 510                         /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 511                         vNew += vCosine + cosineZ*ekind->cosacc.cos_accel*dt;
 512                     }
 513                     break;
 514             }
 515             v[n][d]       = vNew;
 516             xprime[n][d]  = x[n][d] + vNew*dt;
 517         }
 518     }
 519 }
 520
 521 /*! \brief Handles the Leap-frog MD x and v integration */
 522 static void do_update_md(int                         start,
 523                          int                         nrend,
 524                          int64_t                     step,
 525                          real                        dt,
 526                          const t_inputrec          * ir,
 527                          const t_mdatoms           * md,
 528                          const gmx_ekindata_t      * ekind,
 529                          const matrix                box,
 530                          const rvec   * gmx_restrict x,
 531                          rvec         * gmx_restrict xprime,
 532                          rvec         * gmx_restrict v,
 533                          const rvec   * gmx_restrict f,
 534                          const double * gmx_restrict nh_vxi,
 535                          const matrix                M)
 536 {
 537     GMX_ASSERT(nrend == start || xprime != x, "For SIMD optimization certain compilers need to have xprime != x");
 538
 539     /* Note: Berendsen pressure scaling is handled after do_update_md() */
 540     bool doTempCouple       = isTemperatureCouplingStep(step, ir);
 541     bool doNoseHoover       = (ir->etc == etcNOSEHOOVER && doTempCouple);
 542     bool doParrinelloRahman = (ir->epc == epcPARRINELLORAHMAN && isPressureCouplingStep(step, ir));
 543     bool doPROffDiagonal    = (doParrinelloRahman && (M[YY][XX] != 0 || M[ZZ][XX] != 0 || M[ZZ][YY] != 0));
 544
 545     real dtPressureCouple   = (doParrinelloRahman ? ir->nstpcouple*dt : 0);
 546
 547     /* NEMD (also cosine) acceleration is applied in updateMDLeapFrogGeneral */
 548     bool doAcceleration     = (ekind->bNEMD || ekind->cosacc.cos_accel != 0);
 549
 550     if (doNoseHoover || doPROffDiagonal || doAcceleration)
 551     {
 552         matrix stepM;
 553         if (!doParrinelloRahman)
 554         {
 555             /* We should not apply PR scaling at this step */
 556             clear_mat(stepM);
 557         }
 558         else
 559         {
 560             copy_mat(M, stepM);
 561         }
 562
 563         if (!doAcceleration)
 564         {
 565             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::none>
 566                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 567                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 568         }
 569         else if (ekind->bNEMD)
 570         {
 571             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::group>
 572                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 573                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 574         }
 575         else
 576         {
 577             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::cosine>
 578                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 579                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 580         }
 581     }
 582     else
 583     {
 584         /* Use a simple and thus more efficient integration loop. */
 585         /* The simple loop does not check for particle type (so it can
 586          * be vectorized), which means we need to clear the velocities
 587          * of virtual sites in advance, when present. Note that vsite
 588          * velocities are computed after update and constraints from
 589          * their displacement.
 590          */
 591         if (md->haveVsites)
 592         {
 593             /* Note: The overhead of this loop is completely neligible */
 594             clearVsiteVelocities(start, nrend, md->ptype, v);
 595         }
 596
 597         /* We determine if we have a single T-coupling lambda value for all
 598          * atoms. That allows for better SIMD acceleration in the template.
 599          * If we do not do temperature coupling (in the run or this step),
 600          * all scaling values are 1, so we effectively have a single value.
 601          */
 602         bool haveSingleTempScaleValue = (!doTempCouple || ekind->ngtc == 1);
 603
 604         /* Extract some pointers needed by all cases */
 605         const unsigned short *cTC           = md->cTC;
 606         const t_grp_tcstat   *tcstat        = ekind->tcstat;
 607         const rvec           *invMassPerDim = md->invMassPerDim;
 608
 609         if (doParrinelloRahman)
 610         {
 611             GMX_ASSERT(!doPROffDiagonal, "updateMDLeapfrogSimple only support diagonal Parrinello-Rahman scaling matrices");
 612
 613             rvec diagM;
 614             for (int d = 0; d < DIM; d++)
 615             {
 616                 diagM[d] = M[d][d];
 617             }
 618
 619             if (haveSingleTempScaleValue)
 620             {
 621                 updateMDLeapfrogSimple
 622                 <NumTempScaleValues::single,
 623                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>
 624                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 625                     invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x, xprime, v, f);
 626             }
 627             else
 628             {
 629                 updateMDLeapfrogSimple
 630                 <NumTempScaleValues::multiple,
 631                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>
 632                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 633                     invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x, xprime, v, f);
 634             }
 635         }
 636         else
 637         {
 638             if (haveSingleTempScaleValue)
 639             {
 640                 /* Note that modern compilers are pretty good at vectorizing
 641                  * updateMDLeapfrogSimple(). But the SIMD version will still
 642                  * be faster because invMass lowers the cache pressure
 643                  * compared to invMassPerDim.
 644                  */
 645 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 646                 /* Check if we can use invmass instead of invMassPerDim */
 647                 if (!md->havePartiallyFrozenAtoms)
 648                 {
 649                     updateMDLeapfrogSimpleSimd
 650                         (start, nrend, dt, md->invmass, tcstat, x, xprime, v, f);
 651                 }
 652                 else
 653 #endif
 654                 {
 655                     updateMDLeapfrogSimple
 656                     <NumTempScaleValues::single,
 657                      ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>
 658                         (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 659                         invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr, x, xprime, v, f);
 660                 }
 661             }
 662             else
 663             {
 664                 updateMDLeapfrogSimple
 665                 <NumTempScaleValues::multiple,
 666                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>
 667                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 668                     invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr, x, xprime, v, f);
 669             }
 670         }
 671     }
 672 }
 673
 674 static void do_update_vv_vel(int start, int nrend, real dt,
 675                              rvec accel[], ivec nFreeze[], const real invmass[],
 676                              const unsigned short ptype[], const unsigned short cFREEZE[],
 677                              const unsigned short cACC[], rvec v[], const rvec f[],
 678                              gmx_bool bExtended, real veta, real alpha)
 679 {
 680     int    gf = 0, ga = 0;
 681     int    n, d;
 682     real   g, mv1, mv2;
 683
 684     if (bExtended)
 685     {
 686         g        = 0.25*dt*veta*alpha;
 687         mv1      = std::exp(-g);
 688         mv2      = gmx::series_sinhx(g);
 689     }
 690     else
 691     {
 692         mv1      = 1.0;
 693         mv2      = 1.0;
 694     }
 695     for (n = start; n < nrend; n++)
 696     {
 697         real w_dt = invmass[n]*dt;
 698         if (cFREEZE)
 699         {
 700             gf   = cFREEZE[n];
 701         }
 702         if (cACC)
 703         {
 704             ga   = cACC[n];
 705         }
 706
 707         for (d = 0; d < DIM; d++)
 708         {
 709             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 710             {
 711                 v[n][d]             = mv1*(mv1*v[n][d] + 0.5*(w_dt*mv2*f[n][d]))+0.5*accel[ga][d]*dt;
 712             }
 713             else
 714             {
 715                 v[n][d]        = 0.0;
 716             }
 717         }
 718     }
 719 } /* do_update_vv_vel */
 720
 721 static void do_update_vv_pos(int start, int nrend, real dt,
 722                              ivec nFreeze[],
 723                              const unsigned short ptype[], const unsigned short cFREEZE[],
 724                              const rvec x[], rvec xprime[], rvec v[],
 725                              gmx_bool bExtended, real veta)
 726 {
 727     int    gf = 0;
 728     int    n, d;
 729     real   g, mr1, mr2;
 730
 731     /* Would it make more sense if Parrinello-Rahman was put here? */
 732     if (bExtended)
 733     {
 734         g        = 0.5*dt*veta;
 735         mr1      = std::exp(g);
 736         mr2      = gmx::series_sinhx(g);
 737     }
 738     else
 739     {
 740         mr1      = 1.0;
 741         mr2      = 1.0;
 742     }
 743
 744     for (n = start; n < nrend; n++)
 745     {
 746
 747         if (cFREEZE)
 748         {
 749             gf   = cFREEZE[n];
 750         }
 751
 752         for (d = 0; d < DIM; d++)
 753         {
 754             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 755             {
 756                 xprime[n][d]   = mr1*(mr1*x[n][d]+mr2*dt*v[n][d]);
 757             }
 758             else
 759             {
 760                 xprime[n][d]   = x[n][d];
 761             }
 762         }
 763     }
 764 } /* do_update_vv_pos */
 765
 766 static gmx_stochd_t *init_stochd(const t_inputrec *ir)
 767 {
 768     gmx_stochd_t   *sd;
 769
 770     snew(sd, 1);
 771
 772     const t_grpopts *opts = &ir->opts;
 773     int              ngtc = opts->ngtc;
 774
 775     if (ir->eI == eiBD)
 776     {
 777         snew(sd->bd_rf, ngtc);
 778     }
 779     else if (EI_SD(ir->eI))
 780     {
 781         snew(sd->sdc, ngtc);
 782         snew(sd->sdsig, ngtc);
 783
 784         gmx_sd_const_t *sdc = sd->sdc;
 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         snew(sd->randomize_group, ngtc);
 802         snew(sd->boltzfac, 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                 sd->randomize_group[gt] = TRUE;
 813                 sd->boltzfac[gt]        = BOLTZ*opts->ref_t[gt];
 814             }
 815             else
 816             {
 817                 sd->randomize_group[gt] = FALSE;
 818             }
 819         }
 820     }
 821
 822     return sd;
 823 }
 824
 825 void update_temperature_constants(gmx_update_t *upd, const t_inputrec *ir)
 826 {
 827     if (ir->eI == eiBD)
 828     {
 829         if (ir->bd_fric != 0)
 830         {
 831             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 832             {
 833                 upd->sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0*BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt]/(ir->bd_fric*ir->delta_t));
 834             }
 835         }
 836         else
 837         {
 838             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 839             {
 840                 upd->sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0*BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt]);
 841             }
 842         }
 843     }
 844     if (ir->eI == eiSD1)
 845     {
 846         for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 847         {
 848             real kT = BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt];
 849             /* The mass is accounted for later, since this differs per atom */
 850             upd->sd->sdsig[gt].V  = std::sqrt(kT*(1 - upd->sd->sdc[gt].em*upd->sd->sdc[gt].em));
 851         }
 852     }
 853 }
 854
 855 gmx_update_t *init_update(const t_inputrec    *ir,
 856                           gmx::BoxDeformation *deform)
 857 {
 858     gmx_update_t *upd = new(gmx_update_t);
 859
 860     if (ir->eI == eiBD || EI_SD(ir->eI) || ir->etc == etcVRESCALE || ETC_ANDERSEN(ir->etc))
 861     {
 862         upd->sd    = init_stochd(ir);
 863     }
 864
 865     update_temperature_constants(upd, ir);
 866
 867     upd->xp.resize(0);
 868
 869     upd->deform = deform;
 870
 871     return upd;
 872 }
 873
 874 void update_realloc(gmx_update_t *upd, int natoms)
 875 {
 876     GMX_ASSERT(upd, "upd must be allocated before its fields can be reallocated");
 877
 878     upd->xp.resize(gmx::paddedRVecVectorSize(natoms));
 879 }
 880
 881 /*! \brief Sets the SD update type */
 882 enum class SDUpdate : int
 883 {
 884     ForcesOnly, FrictionAndNoiseOnly, Combined
 885 };
 886
 887 /*! \brief SD integrator update
 888  *
 889  * Two phases are required in the general case of a constrained
 890  * update, the first phase from the contribution of forces, before
 891  * applying constraints, and then a second phase applying the friction
 892  * and noise, and then further constraining. For details, see
 893  * Goga2012.
 894  *
 895  * Without constraints, the two phases can be combined, for
 896  * efficiency.
 897  *
 898  * Thus three instantiations of this templated function will be made,
 899  * two with only one contribution, and one with both contributions. */
 900 template <SDUpdate updateType>
 901 static void
 902 doSDUpdateGeneral(gmx_stochd_t *sd,
 903                   int start, int nrend, real dt,
 904                   rvec accel[], ivec nFreeze[],
 905                   const real invmass[], const unsigned short ptype[],
 906                   const unsigned short cFREEZE[], const unsigned short cACC[],
 907                   const unsigned short cTC[],
 908                   const rvec x[], rvec xprime[], rvec v[], const rvec f[],
 909                   int64_t step, int seed, const int *gatindex)
 910 {
 911     if (updateType != SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 912     {
 913         GMX_ASSERT(f != nullptr, "SD update with forces requires forces");
 914         GMX_ASSERT(cACC != nullptr, "SD update with forces requires acceleration groups");
 915     }
 916     if (updateType != SDUpdate::ForcesOnly)
 917     {
 918         GMX_ASSERT(cTC != nullptr, "SD update with noise requires temperature groups");
 919     }
 920
 921     // Even 0 bits internal counter gives 2x64 ints (more than enough for three table lookups)
 922     gmx::ThreeFry2x64<0> rng(seed, gmx::RandomDomain::UpdateCoordinates);
 923     gmx::TabulatedNormalDistribution<real, 14> dist;
 924
 925     gmx_sd_const_t *sdc = sd->sdc;
 926     gmx_sd_sigma_t *sig = sd->sdsig;
 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*sdc[temperatureGroup].em +
 956                                     invsqrtMass*sig[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*sdc[temperatureGroup].em +
 966                                     invsqrtMass*sig[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                          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(rvec v[], t_grpopts *opts, 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(matrix box, rvec x[], rvec v[],
1171                               t_grpopts *opts, 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(t_state *state, t_grpopts *opts, 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(as_rvec_array(state->v.data()), opts, md, ekind, nrnb, bEkinAveVel);
1249     }
1250     else
1251     {
1252         calc_ke_part_visc(state->box, as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(state->v.data()), 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, 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                     t_inputrec       *inputrec,
1342                     t_state          *state,
1343                     gmx_ekindata_t   *ekind,
1344                     t_extmass        *MassQ,
1345                     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, as_rvec_array(state->v.data()));
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_wallcycle_t                wcycle,
1446                           gmx::Constraints              *constr,
1447                           gmx_bool                       bCalcVir,
1448                           bool                           do_log,
1449                           bool                           do_ene)
1450 {
1451     if (!constr)
1452     {
1453         return;
1454     }
1455
1456     /*
1457      *  Steps (7C, 8C)
1458      *  APPLY CONSTRAINTS:
1459      *  BLOCK SHAKE
1460      */
1461
1462     {
1463         tensor vir_con;
1464
1465         /* clear out constraints before applying */
1466         clear_mat(vir_part);
1467
1468         /* Constrain the coordinates upd->xp */
1469         wallcycle_start(wcycle, ewcCONSTR);
1470         {
1471             constr->apply(do_log, do_ene,
1472                           step, 1, 1.0,
1473                           as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(state->v.data()), as_rvec_array(state->v.data()),
1474                           state->box,
1475                           state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1476                           nullptr, bCalcVir ? &vir_con : nullptr, ConstraintVariable::Velocities);
1477         }
1478         wallcycle_stop(wcycle, ewcCONSTR);
1479
1480         if (bCalcVir)
1481         {
1482             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1483         }
1484     }
1485 }
1486
1487 void constrain_coordinates(int64_t                        step,
1488                            real                          *dvdlambda, /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1489                            t_state                       *state,
1490                            tensor                         vir_part,
1491                            gmx_wallcycle_t                wcycle,
1492                            gmx_update_t                  *upd,
1493                            gmx::Constraints              *constr,
1494                            gmx_bool                       bCalcVir,
1495                            bool                           do_log,
1496                            bool                           do_ene)
1497 {
1498     if (!constr)
1499     {
1500         return;
1501     }
1502
1503     {
1504         tensor vir_con;
1505
1506         /* clear out constraints before applying */
1507         clear_mat(vir_part);
1508
1509         /* Constrain the coordinates upd->xp */
1510         wallcycle_start(wcycle, ewcCONSTR);
1511         {
1512             constr->apply(do_log, do_ene,
1513                           step, 1, 1.0,
1514                           as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(upd->xp.data()), nullptr,
1515                           state->box,
1516                           state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1517                           as_rvec_array(state->v.data()), bCalcVir ? &vir_con : nullptr, ConstraintVariable::Positions);
1518         }
1519         wallcycle_stop(wcycle, ewcCONSTR);
1520
1521         if (bCalcVir)
1522         {
1523             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1524         }
1525     }
1526 }
1527
1528 void
1529 update_sd_second_half(int64_t                        step,
1530                       real                          *dvdlambda,   /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1531                       const t_inputrec              *inputrec,    /* input record and box stuff */
1532                       t_mdatoms                     *md,
1533                       t_state                       *state,
1534                       const t_commrec               *cr,
1535                       t_nrnb                        *nrnb,
1536                       gmx_wallcycle_t                wcycle,
1537                       gmx_update_t                  *upd,
1538                       gmx::Constraints              *constr,
1539                       bool                           do_log,
1540                       bool                           do_ene)
1541 {
1542     if (!constr)
1543     {
1544         return;
1545     }
1546     if (inputrec->eI == eiSD1)
1547     {
1548         int nth, th;
1549         int homenr = md->homenr;
1550
1551         /* Cast delta_t from double to real to make the integrators faster.
1552          * The only reason for having delta_t double is to get accurate values
1553          * for t=delta_t*step when step is larger than float precision.
1554          * For integration dt the accuracy of real suffices, since with
1555          * integral += dt*integrand the increment is nearly always (much) smaller
1556          * than the integral (and the integrand has real precision).
1557          */
1558         real dt     = inputrec->delta_t;
1559
1560         wallcycle_start(wcycle, ewcUPDATE);
1561
1562         nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1563
1564 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1565         for (th = 0; th < nth; th++)
1566         {
1567             try
1568             {
1569                 int start_th, end_th;
1570                 getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1571
1572                 doSDUpdateGeneral<SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly>
1573                     (upd->sd,
1574                     start_th, end_th, dt,
1575                     inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1576                     md->invmass, md->ptype,
1577                     md->cFREEZE, nullptr, md->cTC,
1578                     as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(upd->xp.data()),
1579                     as_rvec_array(state->v.data()), nullptr,
1580                     step, inputrec->ld_seed,
1581                     DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1582             }
1583             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1584         }
1585         inc_nrnb(nrnb, eNR_UPDATE, homenr);
1586         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1587
1588         {
1589             /* Constrain the coordinates upd->xp for half a time step */
1590             wallcycle_start(wcycle, ewcCONSTR);
1591             constr->apply(do_log, do_ene,
1592                           step, 1, 0.5,
1593                           as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(upd->xp.data()), nullptr,
1594                           state->box,
1595                           state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1596                           as_rvec_array(state->v.data()), nullptr, ConstraintVariable::Positions);
1597             wallcycle_stop(wcycle, ewcCONSTR);
1598         }
1599     }
1600 }
1601
1602 void finish_update(const t_inputrec              *inputrec,  /* input record and box stuff      */
1603                    t_mdatoms                     *md,
1604                    t_state                       *state,
1605                    t_graph                       *graph,
1606                    t_nrnb                        *nrnb,
1607                    gmx_wallcycle_t                wcycle,
1608                    gmx_update_t                  *upd,
1609                    gmx::Constraints              *constr)
1610 {
1611     int homenr = md->homenr;
1612
1613     /* We must always unshift after updating coordinates; if we did not shake
1614        x was shifted in do_force */
1615
1616     /* NOTE Currently we always integrate to a temporary buffer and
1617      * then copy the results back. */
1618     {
1619         wallcycle_start_nocount(wcycle, ewcUPDATE);
1620
1621         if (md->cFREEZE != nullptr && constr != nullptr)
1622         {
1623             /* If we have atoms that are frozen along some, but not all
1624              * dimensions, then any constraints will have moved them also along
1625              * the frozen dimensions. To freeze such degrees of freedom
1626              * we copy them back here to later copy them forward. It would
1627              * be more elegant and slightly more efficient to copies zero
1628              * times instead of twice, but the graph case below prevents this.
1629              */
1630             const ivec *nFreeze                     = inputrec->opts.nFreeze;
1631             bool        partialFreezeAndConstraints = false;
1632             for (int g = 0; g < inputrec->opts.ngfrz; g++)
1633             {
1634                 int numFreezeDim = nFreeze[g][XX] + nFreeze[g][YY] + nFreeze[g][ZZ];
1635                 if (numFreezeDim > 0 && numFreezeDim < 3)
1636                 {
1637                     partialFreezeAndConstraints = true;
1638                 }
1639             }
1640             if (partialFreezeAndConstraints)
1641             {
1642                 for (int i = 0; i < homenr; i++)
1643                 {
1644                     int g = md->cFREEZE[i];
1645
1646                     for (int d = 0; d < DIM; d++)
1647                     {
1648                         if (nFreeze[g][d])
1649                         {
1650                             upd->xp[i][d] = state->x[i][d];
1651                         }
1652                     }
1653                 }
1654             }
1655         }
1656
1657         if (graph && (graph->nnodes > 0))
1658         {
1659             unshift_x(graph, state->box, as_rvec_array(state->x.data()), as_rvec_array(upd->xp.data()));
1660             if (TRICLINIC(state->box))
1661             {
1662                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, 2*graph->nnodes);
1663             }
1664             else
1665             {
1666                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, graph->nnodes);
1667             }
1668         }
1669         else
1670         {
1671             /* The copy is performance sensitive, so use a bare pointer */
1672             rvec          *xp = as_rvec_array(upd->xp.data());
1673 #ifndef __clang_analyzer__
1674             int gmx_unused nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1675 #endif
1676 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1677             for (int i = 0; i < homenr; i++)
1678             {
1679                 // Trivial statement, does not throw
1680                 copy_rvec(xp[i], state->x[i]);
1681             }
1682         }
1683         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1684     }
1685     /* ############# END the update of velocities and positions ######### */
1686 }
1687
1688 void update_pcouple_after_coordinates(FILE             *fplog,
1689                                       int64_t           step,
1690                                       const t_inputrec *inputrec,
1691                                       const t_mdatoms  *md,
1692                                       const matrix      pressure,
1693                                       const matrix      forceVirial,
1694                                       const matrix      constraintVirial,
1695                                       const matrix      parrinellorahmanMu,
1696                                       t_state          *state,
1697                                       t_nrnb           *nrnb,
1698                                       gmx_update_t     *upd)
1699 {
1700     int  start  = 0;
1701     int  homenr = md->homenr;
1702
1703     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1704     real dt     = inputrec->delta_t;
1705
1706
1707     /* now update boxes */
1708     switch (inputrec->epc)
1709     {
1710         case (epcNO):
1711             break;
1712         case (epcBERENDSEN):
1713             if (isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1714             {
1715                 real   dtpc = inputrec->nstpcouple*dt;
1716                 matrix mu;
1717                 berendsen_pcoupl(fplog, step, inputrec, dtpc,
1718                                  pressure, state->box,
1719                                  forceVirial, constraintVirial,
1720                                  mu, &state->baros_integral);
1721                 berendsen_pscale(inputrec, mu, state->box, state->box_rel,
1722                                  start, homenr, as_rvec_array(state->x.data()),
1723                                  md->cFREEZE, nrnb);
1724             }
1725             break;
1726         case (epcPARRINELLORAHMAN):
1727             if (isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1728             {
1729                 /* The box velocities were updated in do_pr_pcoupl,
1730                  * but we dont change the box vectors until we get here
1731                  * since we need to be able to shift/unshift above.
1732                  */
1733                 real dtpc = inputrec->nstpcouple*dt;
1734                 for (int i = 0; i < DIM; i++)
1735                 {
1736                     for (int m = 0; m <= i; m++)
1737                     {
1738                         state->box[i][m] += dtpc*state->boxv[i][m];
1739                     }
1740                 }
1741                 preserve_box_shape(inputrec, state->box_rel, state->box);
1742
1743                 /* Scale the coordinates */
1744                 for (int n = start; n < start + homenr; n++)
1745                 {
1746                     tmvmul_ur0(parrinellorahmanMu, state->x[n], state->x[n]);
1747                 }
1748             }
1749             break;
1750         case (epcMTTK):
1751             switch (inputrec->epct)
1752             {
1753                 case (epctISOTROPIC):
1754                     /* DIM * eta = ln V.  so DIM*eta_new = DIM*eta_old + DIM*dt*veta =>
1755                        ln V_new = ln V_old + 3*dt*veta => V_new = V_old*exp(3*dt*veta) =>
1756                        Side length scales as exp(veta*dt) */
1757
1758                     msmul(state->box, std::exp(state->veta*dt), state->box);
1759
1760                     /* Relate veta to boxv.  veta = d(eta)/dT = (1/DIM)*1/V dV/dT.
1761                        o               If we assume isotropic scaling, and box length scaling
1762                        factor L, then V = L^DIM (det(M)).  So dV/dt = DIM
1763                        L^(DIM-1) dL/dt det(M), and veta = (1/L) dL/dt.  The
1764                        determinant of B is L^DIM det(M), and the determinant
1765                        of dB/dt is (dL/dT)^DIM det (M).  veta will be
1766                        (det(dB/dT)/det(B))^(1/3).  Then since M =
1767                        B_new*(vol_new)^(1/3), dB/dT_new = (veta_new)*B(new). */
1768
1769                     msmul(state->box, state->veta, state->boxv);
1770                     break;
1771                 default:
1772                     break;
1773             }
1774             break;
1775         default:
1776             break;
1777     }
1778
1779     if (upd->deform)
1780     {
1781         auto localX = gmx::ArrayRef<gmx::RVec>(state->x).subArray(start, homenr);
1782         upd->deform->apply(localX, state->box, step);
1783     }
1784 }
1785
1786 void update_coords(int64_t                        step,
1787                    t_inputrec                    *inputrec, /* input record and box stuff       */
1788                    t_mdatoms                     *md,
1789                    t_state                       *state,
1790                    gmx::PaddedArrayRef<gmx::RVec> f,        /* forces on home particles */
1791                    t_fcdata                      *fcd,
1792                    gmx_ekindata_t                *ekind,
1793                    matrix                         M,
1794                    gmx_update_t                  *upd,
1795                    int                            UpdatePart,
1796                    const t_commrec               *cr, /* these shouldn't be here -- need to think about it */
1797                    gmx::Constraints              *constr)
1798 {
1799     gmx_bool bDoConstr = (nullptr != constr);
1800
1801     /* Running the velocity half does nothing except for velocity verlet */
1802     if ((UpdatePart == etrtVELOCITY1 || UpdatePart == etrtVELOCITY2) &&
1803         !EI_VV(inputrec->eI))
1804     {
1805         gmx_incons("update_coords called for velocity without VV integrator");
1806     }
1807
1808     int  homenr = md->homenr;
1809
1810     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1811     real dt     = inputrec->delta_t;
1812
1813     /* We need to update the NMR restraint history when time averaging is used */
1814     if (state->flags & (1<<estDISRE_RM3TAV))
1815     {
1816         update_disres_history(fcd, &state->hist);
1817     }
1818     if (state->flags & (1<<estORIRE_DTAV))
1819     {
1820         update_orires_history(fcd, &state->hist);
1821     }
1822
1823     /* ############# START The update of velocities and positions ######### */
1824     int nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1825
1826 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1827     for (int th = 0; th < nth; th++)
1828     {
1829         try
1830         {
1831             int start_th, end_th;
1832             getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1833
1834             /* Strictly speaking, we would only need this check with SIMD
1835              * and for the actual SIMD width. But since the code currently
1836              * always adds padding for GMX_REAL_MAX_SIMD_WIDTH, we check that.
1837              */
1838             gmx::index gmx_used_in_debug homenrSimdPadded;
1839             homenrSimdPadded = ((homenr + GMX_REAL_MAX_SIMD_WIDTH - 1)/GMX_REAL_MAX_SIMD_WIDTH)*GMX_REAL_MAX_SIMD_WIDTH;
1840             GMX_ASSERT(gmx::index(state->x.size()) >= homenrSimdPadded, "state->x needs to be padded for SIMD access");
1841             GMX_ASSERT(gmx::index(upd->xp.size())  >= homenrSimdPadded, "upd->xp needs to be padded for SIMD access");
1842             GMX_ASSERT(gmx::index(state->v.size()) >= homenrSimdPadded, "state->v needs to be padded for SIMD access");
1843             GMX_ASSERT(f.size()        >= homenrSimdPadded, "f needs to be padded for SIMD access");
1844
1845             const rvec *x_rvec  = as_rvec_array(state->x.data());
1846             rvec       *xp_rvec = as_rvec_array(upd->xp.data());
1847             rvec       *v_rvec  = as_rvec_array(state->v.data());
1848             const rvec *f_rvec  = as_rvec_array(f.data());
1849
1850             switch (inputrec->eI)
1851             {
1852                 case (eiMD):
1853                     do_update_md(start_th, end_th, step, dt,
1854                                  inputrec, md, ekind, state->box,
1855                                  x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1856                                  state->nosehoover_vxi.data(), M);
1857                     break;
1858                 case (eiSD1):
1859                     if (bDoConstr)
1860                     {
1861                         // With constraints, the SD update is done in 2 parts
1862                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::ForcesOnly>
1863                             (upd->sd,
1864                             start_th, end_th, dt,
1865                             inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1866                             md->invmass, md->ptype,
1867                             md->cFREEZE, md->cACC, nullptr,
1868                             x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1869                             step, inputrec->ld_seed, nullptr);
1870                     }
1871                     else
1872                     {
1873                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::Combined>
1874                             (upd->sd,
1875                             start_th, end_th, dt,
1876                             inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1877                             md->invmass, md->ptype,
1878                             md->cFREEZE, md->cACC, md->cTC,
1879                             x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1880                             step, inputrec->ld_seed,
1881                             DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1882                     }
1883                     break;
1884                 case (eiBD):
1885                     do_update_bd(start_th, end_th, dt,
1886                                  inputrec->opts.nFreeze, md->invmass, md->ptype,
1887                                  md->cFREEZE, md->cTC,
1888                                  x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1889                                  inputrec->bd_fric,
1890                                  upd->sd->bd_rf,
1891                                  step, inputrec->ld_seed, DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1892                     break;
1893                 case (eiVV):
1894                 case (eiVVAK):
1895                 {
1896                     gmx_bool bExtended = (inputrec->etc == etcNOSEHOOVER ||
1897                                           inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN ||
1898                                           inputrec->epc == epcMTTK);
1899
1900                     /* assuming barostat coupled to group 0 */
1901                     real alpha = 1.0 + DIM/static_cast<real>(inputrec->opts.nrdf[0]);
1902                     switch (UpdatePart)
1903                     {
1904                         case etrtVELOCITY1:
1905                         case etrtVELOCITY2:
1906                             do_update_vv_vel(start_th, end_th, dt,
1907                                              inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1908                                              md->invmass, md->ptype,
1909                                              md->cFREEZE, md->cACC,
1910                                              v_rvec, f_rvec,
1911                                              bExtended, state->veta, alpha);
1912                             break;
1913                         case etrtPOSITION:
1914                             do_update_vv_pos(start_th, end_th, dt,
1915                                              inputrec->opts.nFreeze,
1916                                              md->ptype, md->cFREEZE,
1917                                              x_rvec, xp_rvec, v_rvec,
1918                                              bExtended, state->veta);
1919                             break;
1920                     }
1921                     break;
1922                 }
1923                 default:
1924                     gmx_fatal(FARGS, "Don't know how to update coordinates");
1925             }
1926         }
1927         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1928     }
1929
1930 }
1931
1932 extern gmx_bool update_randomize_velocities(t_inputrec *ir, int64_t step, const t_commrec *cr,
1933                                             t_mdatoms *md, t_state *state, gmx_update_t *upd, gmx::Constraints *constr)
1934 {
1935
1936     real rate = (ir->delta_t)/ir->opts.tau_t[0];
1937
1938     if (ir->etc == etcANDERSEN && constr != nullptr)
1939     {
1940         /* Currently, Andersen thermostat does not support constrained
1941            systems. Functionality exists in the andersen_tcoupl
1942            function in GROMACS 4.5.7 to allow this combination. That
1943            code could be ported to the current random-number
1944            generation approach, but has not yet been done because of
1945            lack of time and resources. */
1946         gmx_fatal(FARGS, "Normal Andersen is currently not supported with constraints, use massive Andersen instead");
1947     }
1948
1949     /* proceed with andersen if 1) it's fixed probability per
1950        particle andersen or 2) it's massive andersen and it's tau_t/dt */
1951     if ((ir->etc == etcANDERSEN) || do_per_step(step, static_cast<int>(1.0/rate + 0.5)))
1952     {
1953         andersen_tcoupl(ir, step, cr, md, state, rate,
1954                         upd->sd->randomize_group, upd->sd->boltzfac);
1955         return TRUE;
1956     }
1957     return FALSE;
1958 }