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/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     for (int n = start; n < nrend; n++)
 456     {
 457         if (cTC)
 458         {
 459             gt  = cTC[n];
 460         }
 461         real lg = tcstat[gt].lambda;
 462
 463         rvec vRel;
 464         real cosineZ, vCosine;
 465 #ifdef __INTEL_COMPILER
 466 #pragma warning( disable : 280 )
 467 #endif
 468         switch (accelerationType)
 469         {
 470             case AccelerationType::none:
 471                 copy_rvec(v[n], vRel);
 472                 break;
 473             case AccelerationType::group:
 474                 if (cACC)
 475                 {
 476                     ga = cACC[n];
 477                 }
 478                 /* Avoid scaling the group velocity */
 479                 rvec_sub(v[n], grpstat[ga].u, vRel);
 480                 break;
 481             case AccelerationType::cosine:
 482                 cosineZ = std::cos(x[n][ZZ]*static_cast<real>(M_PI)/box[ZZ][ZZ]);
 483                 vCosine = cosineZ*ekind->cosacc.vcos;
 484                 /* Avoid scaling the cosine profile velocity */
 485                 copy_rvec(v[n], vRel);
 486                 vRel[XX] -= vCosine;
 487                 break;
 488         }
 489
 490         if (doNoseHoover)
 491         {
 492             /* Here we account for multiple time stepping, by increasing
 493              * the Nose-Hoover correction by nsttcouple
 494              */
 495             factorNH = 0.5*ir->nsttcouple*dt*nh_vxi[gt];
 496         }
 497
 498         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 499         {
 500             real vNew =
 501                 (lg*vRel[d] + (f[n][d]*invMassPerDim[n][d]*dt - factorNH*vRel[d]
 502                                - dtPressureCouple*iprod(M[d], vRel)))/(1 + factorNH);
 503             switch (accelerationType)
 504             {
 505                 case AccelerationType::none:
 506                     break;
 507                 case AccelerationType::group:
 508                     /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 509                     vNew += grpstat[ga].u[d] + accel[ga][d]*dt;
 510                     break;
 511                 case AccelerationType::cosine:
 512                     if (d == XX)
 513                     {
 514                         /* Add back the mean velocity and apply acceleration */
 515                         vNew += vCosine + cosineZ*ekind->cosacc.cos_accel*dt;
 516                     }
 517                     break;
 518             }
 519             v[n][d]       = vNew;
 520             xprime[n][d]  = x[n][d] + vNew*dt;
 521         }
 522     }
 523 }
 524
 525 /*! \brief Handles the Leap-frog MD x and v integration */
 526 static void do_update_md(int                         start,
 527                          int                         nrend,
 528                          int64_t                     step,
 529                          real                        dt,
 530                          const t_inputrec          * ir,
 531                          const t_mdatoms           * md,
 532                          const gmx_ekindata_t      * ekind,
 533                          const matrix                box,
 534                          const rvec   * gmx_restrict x,
 535                          rvec         * gmx_restrict xprime,
 536                          rvec         * gmx_restrict v,
 537                          const rvec   * gmx_restrict f,
 538                          const double * gmx_restrict nh_vxi,
 539                          const matrix                M)
 540 {
 541     GMX_ASSERT(nrend == start || xprime != x, "For SIMD optimization certain compilers need to have xprime != x");
 542
 543     /* Note: Berendsen pressure scaling is handled after do_update_md() */
 544     bool doTempCouple       = isTemperatureCouplingStep(step, ir);
 545     bool doNoseHoover       = (ir->etc == etcNOSEHOOVER && doTempCouple);
 546     bool doParrinelloRahman = (ir->epc == epcPARRINELLORAHMAN && isPressureCouplingStep(step, ir));
 547     bool doPROffDiagonal    = (doParrinelloRahman && (M[YY][XX] != 0 || M[ZZ][XX] != 0 || M[ZZ][YY] != 0));
 548
 549     real dtPressureCouple   = (doParrinelloRahman ? ir->nstpcouple*dt : 0);
 550
 551     /* NEMD (also cosine) acceleration is applied in updateMDLeapFrogGeneral */
 552     bool doAcceleration     = (ekind->bNEMD || ekind->cosacc.cos_accel != 0);
 553
 554     if (doNoseHoover || doPROffDiagonal || doAcceleration)
 555     {
 556         matrix stepM;
 557         if (!doParrinelloRahman)
 558         {
 559             /* We should not apply PR scaling at this step */
 560             clear_mat(stepM);
 561         }
 562         else
 563         {
 564             copy_mat(M, stepM);
 565         }
 566
 567         if (!doAcceleration)
 568         {
 569             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::none>
 570                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 571                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 572         }
 573         else if (ekind->bNEMD)
 574         {
 575             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::group>
 576                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 577                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 578         }
 579         else
 580         {
 581             updateMDLeapfrogGeneral<AccelerationType::cosine>
 582                 (start, nrend, doNoseHoover, dt, dtPressureCouple,
 583                 ir, md, ekind, box, x, xprime, v, f, nh_vxi, stepM);
 584         }
 585     }
 586     else
 587     {
 588         /* Use a simple and thus more efficient integration loop. */
 589         /* The simple loop does not check for particle type (so it can
 590          * be vectorized), which means we need to clear the velocities
 591          * of virtual sites in advance, when present. Note that vsite
 592          * velocities are computed after update and constraints from
 593          * their displacement.
 594          */
 595         if (md->haveVsites)
 596         {
 597             /* Note: The overhead of this loop is completely neligible */
 598             clearVsiteVelocities(start, nrend, md->ptype, v);
 599         }
 600
 601         /* We determine if we have a single T-coupling lambda value for all
 602          * atoms. That allows for better SIMD acceleration in the template.
 603          * If we do not do temperature coupling (in the run or this step),
 604          * all scaling values are 1, so we effectively have a single value.
 605          */
 606         bool haveSingleTempScaleValue = (!doTempCouple || ekind->ngtc == 1);
 607
 608         /* Extract some pointers needed by all cases */
 609         const unsigned short *cTC           = md->cTC;
 610         const t_grp_tcstat   *tcstat        = ekind->tcstat;
 611         const rvec           *invMassPerDim = md->invMassPerDim;
 612
 613         if (doParrinelloRahman)
 614         {
 615             GMX_ASSERT(!doPROffDiagonal, "updateMDLeapfrogSimple only support diagonal Parrinello-Rahman scaling matrices");
 616
 617             rvec diagM;
 618             for (int d = 0; d < DIM; d++)
 619             {
 620                 diagM[d] = M[d][d];
 621             }
 622
 623             if (haveSingleTempScaleValue)
 624             {
 625                 updateMDLeapfrogSimple
 626                 <NumTempScaleValues::single,
 627                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>
 628                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 629                     invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x, xprime, v, f);
 630             }
 631             else
 632             {
 633                 updateMDLeapfrogSimple
 634                 <NumTempScaleValues::multiple,
 635                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::diagonal>
 636                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 637                     invMassPerDim, tcstat, cTC, diagM, x, xprime, v, f);
 638             }
 639         }
 640         else
 641         {
 642             if (haveSingleTempScaleValue)
 643             {
 644                 /* Note that modern compilers are pretty good at vectorizing
 645                  * updateMDLeapfrogSimple(). But the SIMD version will still
 646                  * be faster because invMass lowers the cache pressure
 647                  * compared to invMassPerDim.
 648                  */
 649 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
 650                 /* Check if we can use invmass instead of invMassPerDim */
 651                 if (!md->havePartiallyFrozenAtoms)
 652                 {
 653                     updateMDLeapfrogSimpleSimd
 654                         (start, nrend, dt, md->invmass, tcstat, x, xprime, v, f);
 655                 }
 656                 else
 657 #endif
 658                 {
 659                     updateMDLeapfrogSimple
 660                     <NumTempScaleValues::single,
 661                      ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>
 662                         (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 663                         invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr, x, xprime, v, f);
 664                 }
 665             }
 666             else
 667             {
 668                 updateMDLeapfrogSimple
 669                 <NumTempScaleValues::multiple,
 670                  ApplyParrinelloRahmanVScaling::no>
 671                     (start, nrend, dt, dtPressureCouple,
 672                     invMassPerDim, tcstat, cTC, nullptr, x, xprime, v, f);
 673             }
 674         }
 675     }
 676 }
 677
 678 static void do_update_vv_vel(int start, int nrend, real dt,
 679                              const rvec accel[], const ivec nFreeze[], const real invmass[],
 680                              const unsigned short ptype[], const unsigned short cFREEZE[],
 681                              const unsigned short cACC[], rvec v[], const rvec f[],
 682                              gmx_bool bExtended, real veta, real alpha)
 683 {
 684     int    gf = 0, ga = 0;
 685     int    n, d;
 686     real   g, mv1, mv2;
 687
 688     if (bExtended)
 689     {
 690         g        = 0.25*dt*veta*alpha;
 691         mv1      = std::exp(-g);
 692         mv2      = gmx::series_sinhx(g);
 693     }
 694     else
 695     {
 696         mv1      = 1.0;
 697         mv2      = 1.0;
 698     }
 699     for (n = start; n < nrend; n++)
 700     {
 701         real w_dt = invmass[n]*dt;
 702         if (cFREEZE)
 703         {
 704             gf   = cFREEZE[n];
 705         }
 706         if (cACC)
 707         {
 708             ga   = cACC[n];
 709         }
 710
 711         for (d = 0; d < DIM; d++)
 712         {
 713             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 714             {
 715                 v[n][d]             = mv1*(mv1*v[n][d] + 0.5*(w_dt*mv2*f[n][d]))+0.5*accel[ga][d]*dt;
 716             }
 717             else
 718             {
 719                 v[n][d]        = 0.0;
 720             }
 721         }
 722     }
 723 } /* do_update_vv_vel */
 724
 725 static void do_update_vv_pos(int start, int nrend, real dt,
 726                              const ivec nFreeze[],
 727                              const unsigned short ptype[], const unsigned short cFREEZE[],
 728                              const rvec x[], rvec xprime[], const rvec v[],
 729                              gmx_bool bExtended, real veta)
 730 {
 731     int    gf = 0;
 732     int    n, d;
 733     real   g, mr1, mr2;
 734
 735     /* Would it make more sense if Parrinello-Rahman was put here? */
 736     if (bExtended)
 737     {
 738         g        = 0.5*dt*veta;
 739         mr1      = std::exp(g);
 740         mr2      = gmx::series_sinhx(g);
 741     }
 742     else
 743     {
 744         mr1      = 1.0;
 745         mr2      = 1.0;
 746     }
 747
 748     for (n = start; n < nrend; n++)
 749     {
 750
 751         if (cFREEZE)
 752         {
 753             gf   = cFREEZE[n];
 754         }
 755
 756         for (d = 0; d < DIM; d++)
 757         {
 758             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
 759             {
 760                 xprime[n][d]   = mr1*(mr1*x[n][d]+mr2*dt*v[n][d]);
 761             }
 762             else
 763             {
 764                 xprime[n][d]   = x[n][d];
 765             }
 766         }
 767     }
 768 } /* do_update_vv_pos */
 769
 770 gmx_stochd_t::gmx_stochd_t(const t_inputrec *ir)
 771 {
 772     const t_grpopts *opts = &ir->opts;
 773     const int        ngtc = opts->ngtc;
 774
 775     if (ir->eI == eiBD)
 776     {
 777         bd_rf.resize(ngtc);
 778     }
 779     else if (EI_SD(ir->eI))
 780     {
 781         sdc.resize(ngtc);
 782         sdsig.resize(ngtc);
 783
 784         for (int gt = 0; gt < ngtc; gt++)
 785         {
 786             if (opts->tau_t[gt] > 0)
 787             {
 788                 sdc[gt].em  = std::exp(-ir->delta_t/opts->tau_t[gt]);
 789             }
 790             else
 791             {
 792                 /* No friction and noise on this group */
 793                 sdc[gt].em  = 1;
 794             }
 795         }
 796     }
 797     else if (ETC_ANDERSEN(ir->etc))
 798     {
 799         randomize_group.resize(ngtc);
 800         boltzfac.resize(ngtc);
 801
 802         /* for now, assume that all groups, if randomized, are randomized at the same rate, i.e. tau_t is the same. */
 803         /* since constraint groups don't necessarily match up with temperature groups! This is checked in readir.c */
 804
 805         for (int gt = 0; gt < ngtc; gt++)
 806         {
 807             real reft = std::max<real>(0, opts->ref_t[gt]);
 808             if ((opts->tau_t[gt] > 0) && (reft > 0))  /* tau_t or ref_t = 0 means that no randomization is done */
 809             {
 810                 randomize_group[gt] = true;
 811                 boltzfac[gt]        = BOLTZ*opts->ref_t[gt];
 812             }
 813             else
 814             {
 815                 randomize_group[gt] = false;
 816             }
 817         }
 818     }
 819 }
 820
 821 void update_temperature_constants(gmx_update_t *upd, const t_inputrec *ir)
 822 {
 823     if (ir->eI == eiBD)
 824     {
 825         if (ir->bd_fric != 0)
 826         {
 827             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 828             {
 829                 upd->sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0*BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt]/(ir->bd_fric*ir->delta_t));
 830             }
 831         }
 832         else
 833         {
 834             for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 835             {
 836                 upd->sd->bd_rf[gt] = std::sqrt(2.0*BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt]);
 837             }
 838         }
 839     }
 840     if (ir->eI == eiSD1)
 841     {
 842         for (int gt = 0; gt < ir->opts.ngtc; gt++)
 843         {
 844             real kT = BOLTZ*ir->opts.ref_t[gt];
 845             /* The mass is accounted for later, since this differs per atom */
 846             upd->sd->sdsig[gt].V  = std::sqrt(kT*(1 - upd->sd->sdc[gt].em*upd->sd->sdc[gt].em));
 847         }
 848     }
 849 }
 850
 851 gmx_update_t *init_update(const t_inputrec    *ir,
 852                           gmx::BoxDeformation *deform)
 853 {
 854     gmx_update_t *upd = new(gmx_update_t);
 855
 856     upd->sd    = gmx::compat::make_unique<gmx_stochd_t>(ir);
 857
 858     update_temperature_constants(upd, ir);
 859
 860     upd->xp.resizeWithPadding(0);
 861
 862     upd->deform = deform;
 863
 864     return upd;
 865 }
 866
 867 void update_realloc(gmx_update_t *upd, int natoms)
 868 {
 869     GMX_ASSERT(upd, "upd must be allocated before its fields can be reallocated");
 870
 871     upd->xp.resizeWithPadding(natoms);
 872 }
 873
 874 /*! \brief Sets the SD update type */
 875 enum class SDUpdate : int
 876 {
 877     ForcesOnly, FrictionAndNoiseOnly, Combined
 878 };
 879
 880 /*! \brief SD integrator update
 881  *
 882  * Two phases are required in the general case of a constrained
 883  * update, the first phase from the contribution of forces, before
 884  * applying constraints, and then a second phase applying the friction
 885  * and noise, and then further constraining. For details, see
 886  * Goga2012.
 887  *
 888  * Without constraints, the two phases can be combined, for
 889  * efficiency.
 890  *
 891  * Thus three instantiations of this templated function will be made,
 892  * two with only one contribution, and one with both contributions. */
 893 template <SDUpdate updateType>
 894 static void
 895 doSDUpdateGeneral(const gmx_stochd_t &sd,
 896                   int start, int nrend, real dt,
 897                   const rvec accel[], const ivec nFreeze[],
 898                   const real invmass[], const unsigned short ptype[],
 899                   const unsigned short cFREEZE[], const unsigned short cACC[],
 900                   const unsigned short cTC[],
 901                   const rvec x[], rvec xprime[], rvec v[], const rvec f[],
 902                   int64_t step, int seed, const int *gatindex)
 903 {
 904     // cTC, cACC and cFreeze can be nullptr any time, but various
 905     // instantiations do not make sense with particular pointer
 906     // values.
 907     if (updateType == SDUpdate::ForcesOnly)
 908     {
 909         GMX_ASSERT(f != nullptr, "SD update with only forces requires forces");
 910         GMX_ASSERT(cTC == nullptr, "SD update with only forces cannot handle temperature groups");
 911     }
 912     if (updateType == SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 913     {
 914         GMX_ASSERT(f == nullptr, "SD update with only noise cannot handle forces");
 915         GMX_ASSERT(cACC == nullptr, "SD update with only noise cannot handle acceleration groups");
 916     }
 917     if (updateType == SDUpdate::Combined)
 918     {
 919         GMX_ASSERT(f != nullptr, "SD update with forces and noise requires forces");
 920     }
 921
 922     // Even 0 bits internal counter gives 2x64 ints (more than enough for three table lookups)
 923     gmx::ThreeFry2x64<0> rng(seed, gmx::RandomDomain::UpdateCoordinates);
 924     gmx::TabulatedNormalDistribution<real, 14> dist;
 925
 926     for (int n = start; n < nrend; n++)
 927     {
 928         int globalAtomIndex = gatindex ? gatindex[n] : n;
 929         rng.restart(step, globalAtomIndex);
 930         dist.reset();
 931
 932         real inverseMass     = invmass[n];
 933         real invsqrtMass     = std::sqrt(inverseMass);
 934
 935         int  freezeGroup       = cFREEZE ? cFREEZE[n] : 0;
 936         int  accelerationGroup = cACC ? cACC[n] : 0;
 937         int  temperatureGroup  = cTC ? cTC[n] : 0;
 938
 939         for (int d = 0; d < DIM; d++)
 940         {
 941             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[freezeGroup][d])
 942             {
 943                 if (updateType == SDUpdate::ForcesOnly)
 944                 {
 945                     real vn      = v[n][d] + (inverseMass*f[n][d] + accel[accelerationGroup][d])*dt;
 946                     v[n][d]      = vn;
 947                     // Simple position update.
 948                     xprime[n][d] = x[n][d] + v[n][d]*dt;
 949                 }
 950                 else if (updateType == SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 951                 {
 952                     real vn      = v[n][d];
 953                     v[n][d]      = (vn*sd.sdc[temperatureGroup].em +
 954                                     invsqrtMass*sd.sdsig[temperatureGroup].V*dist(rng));
 955                     // The previous phase already updated the
 956                     // positions with a full v*dt term that must
 957                     // now be half removed.
 958                     xprime[n][d] = xprime[n][d] + 0.5*(v[n][d] - vn)*dt;
 959                 }
 960                 else
 961                 {
 962                     real vn      = v[n][d] + (inverseMass*f[n][d] + accel[accelerationGroup][d])*dt;
 963                     v[n][d]      = (vn*sd.sdc[temperatureGroup].em +
 964                                     invsqrtMass*sd.sdsig[temperatureGroup].V*dist(rng));
 965                     // Here we include half of the friction+noise
 966                     // update of v into the position update.
 967                     xprime[n][d] = x[n][d] + 0.5*(vn + v[n][d])*dt;
 968                 }
 969             }
 970             else
 971             {
 972                 // When using constraints, the update is split into
 973                 // two phases, but we only need to zero the update of
 974                 // virtual, shell or frozen particles in at most one
 975                 // of the phases.
 976                 if (updateType != SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly)
 977                 {
 978                     v[n][d]      = 0.0;
 979                     xprime[n][d] = x[n][d];
 980                 }
 981             }
 982         }
 983     }
 984 }
 985
 986 static void do_update_bd(int start, int nrend, real dt,
 987                          const ivec nFreeze[],
 988                          const real invmass[], const unsigned short ptype[],
 989                          const unsigned short cFREEZE[], const unsigned short cTC[],
 990                          const rvec x[], rvec xprime[], rvec v[],
 991                          const rvec f[], real friction_coefficient,
 992                          const real *rf, int64_t step, int seed,
 993                          const int* gatindex)
 994 {
 995     /* note -- these appear to be full step velocities . . .  */
 996     int    gf = 0, gt = 0;
 997     real   vn;
 998     real   invfr = 0;
 999     int    n, d;
1000     // Use 1 bit of internal counters to give us 2*2 64-bits values per stream
1001     // Each 64-bit value is enough for 4 normal distribution table numbers.
1002     gmx::ThreeFry2x64<0> rng(seed, gmx::RandomDomain::UpdateCoordinates);
1003     gmx::TabulatedNormalDistribution<real, 14> dist;
1004
1005     if (friction_coefficient != 0)
1006     {
1007         invfr = 1.0/friction_coefficient;
1008     }
1009
1010     for (n = start; (n < nrend); n++)
1011     {
1012         int  ng  = gatindex ? gatindex[n] : n;
1013
1014         rng.restart(step, ng);
1015         dist.reset();
1016
1017         if (cFREEZE)
1018         {
1019             gf = cFREEZE[n];
1020         }
1021         if (cTC)
1022         {
1023             gt = cTC[n];
1024         }
1025         for (d = 0; (d < DIM); d++)
1026         {
1027             if ((ptype[n] != eptVSite) && (ptype[n] != eptShell) && !nFreeze[gf][d])
1028             {
1029                 if (friction_coefficient != 0)
1030                 {
1031                     vn = invfr*f[n][d] + rf[gt]*dist(rng);
1032                 }
1033                 else
1034                 {
1035                     /* NOTE: invmass = 2/(mass*friction_constant*dt) */
1036                     vn = 0.5*invmass[n]*f[n][d]*dt
1037                         + std::sqrt(0.5*invmass[n])*rf[gt]*dist(rng);
1038                 }
1039
1040                 v[n][d]      = vn;
1041                 xprime[n][d] = x[n][d]+vn*dt;
1042             }
1043             else
1044             {
1045                 v[n][d]      = 0.0;
1046                 xprime[n][d] = x[n][d];
1047             }
1048         }
1049     }
1050 }
1051
1052 static void calc_ke_part_normal(const rvec v[], const t_grpopts *opts, const t_mdatoms *md,
1053                                 gmx_ekindata_t *ekind, t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel)
1054 {
1055     int           g;
1056     t_grp_tcstat *tcstat  = ekind->tcstat;
1057     t_grp_acc    *grpstat = ekind->grpstat;
1058     int           nthread, thread;
1059
1060     /* three main: VV with AveVel, vv with AveEkin, leap with AveEkin.  Leap with AveVel is also
1061        an option, but not supported now.
1062        bEkinAveVel: If TRUE, we sum into ekin, if FALSE, into ekinh.
1063      */
1064
1065     /* group velocities are calculated in update_ekindata and
1066      * accumulated in acumulate_groups.
1067      * Now the partial global and groups ekin.
1068      */
1069     for (g = 0; (g < opts->ngtc); g++)
1070     {
1071         copy_mat(tcstat[g].ekinh, tcstat[g].ekinh_old);
1072         if (bEkinAveVel)
1073         {
1074             clear_mat(tcstat[g].ekinf);
1075             tcstat[g].ekinscalef_nhc = 1.0;   /* need to clear this -- logic is complicated! */
1076         }
1077         else
1078         {
1079             clear_mat(tcstat[g].ekinh);
1080         }
1081     }
1082     ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
1083     nthread            = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1084
1085 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1086     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1087     {
1088         // This OpenMP only loops over arrays and does not call any functions
1089         // or memory allocation. It should not be able to throw, so for now
1090         // we do not need a try/catch wrapper.
1091         int     start_t, end_t, n;
1092         int     ga, gt;
1093         rvec    v_corrt;
1094         real    hm;
1095         int     d, m;
1096         matrix *ekin_sum;
1097         real   *dekindl_sum;
1098
1099         start_t = ((thread+0)*md->homenr)/nthread;
1100         end_t   = ((thread+1)*md->homenr)/nthread;
1101
1102         ekin_sum    = ekind->ekin_work[thread];
1103         dekindl_sum = ekind->dekindl_work[thread];
1104
1105         for (gt = 0; gt < opts->ngtc; gt++)
1106         {
1107             clear_mat(ekin_sum[gt]);
1108         }
1109         *dekindl_sum = 0.0;
1110
1111         ga = 0;
1112         gt = 0;
1113         for (n = start_t; n < end_t; n++)
1114         {
1115             if (md->cACC)
1116             {
1117                 ga = md->cACC[n];
1118             }
1119             if (md->cTC)
1120             {
1121                 gt = md->cTC[n];
1122             }
1123             hm   = 0.5*md->massT[n];
1124
1125             for (d = 0; (d < DIM); d++)
1126             {
1127                 v_corrt[d]  = v[n][d]  - grpstat[ga].u[d];
1128             }
1129             for (d = 0; (d < DIM); d++)
1130             {
1131                 for (m = 0; (m < DIM); m++)
1132                 {
1133                     /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
1134                     ekin_sum[gt][m][d] += hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
1135                 }
1136             }
1137             if (md->nMassPerturbed && md->bPerturbed[n])
1138             {
1139                 *dekindl_sum +=
1140                     0.5*(md->massB[n] - md->massA[n])*iprod(v_corrt, v_corrt);
1141             }
1142         }
1143     }
1144
1145     ekind->dekindl = 0;
1146     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1147     {
1148         for (g = 0; g < opts->ngtc; g++)
1149         {
1150             if (bEkinAveVel)
1151             {
1152                 m_add(tcstat[g].ekinf, ekind->ekin_work[thread][g],
1153                       tcstat[g].ekinf);
1154             }
1155             else
1156             {
1157                 m_add(tcstat[g].ekinh, ekind->ekin_work[thread][g],
1158                       tcstat[g].ekinh);
1159             }
1160         }
1161
1162         ekind->dekindl += *ekind->dekindl_work[thread];
1163     }
1164
1165     inc_nrnb(nrnb, eNR_EKIN, md->homenr);
1166 }
1167
1168 static void calc_ke_part_visc(const matrix box, const rvec x[], const rvec v[],
1169                               const t_grpopts *opts, const t_mdatoms *md,
1170                               gmx_ekindata_t *ekind,
1171                               t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel)
1172 {
1173     int           start = 0, homenr = md->homenr;
1174     int           g, d, n, m, gt = 0;
1175     rvec          v_corrt;
1176     real          hm;
1177     t_grp_tcstat *tcstat = ekind->tcstat;
1178     t_cos_acc    *cosacc = &(ekind->cosacc);
1179     real          dekindl;
1180     real          fac, cosz;
1181     double        mvcos;
1182
1183     for (g = 0; g < opts->ngtc; g++)
1184     {
1185         copy_mat(ekind->tcstat[g].ekinh, ekind->tcstat[g].ekinh_old);
1186         clear_mat(ekind->tcstat[g].ekinh);
1187     }
1188     ekind->dekindl_old = ekind->dekindl;
1189
1190     fac     = 2*M_PI/box[ZZ][ZZ];
1191     mvcos   = 0;
1192     dekindl = 0;
1193     for (n = start; n < start+homenr; n++)
1194     {
1195         if (md->cTC)
1196         {
1197             gt = md->cTC[n];
1198         }
1199         hm   = 0.5*md->massT[n];
1200
1201         /* Note that the times of x and v differ by half a step */
1202         /* MRS -- would have to be changed for VV */
1203         cosz         = std::cos(fac*x[n][ZZ]);
1204         /* Calculate the amplitude of the new velocity profile */
1205         mvcos       += 2*cosz*md->massT[n]*v[n][XX];
1206
1207         copy_rvec(v[n], v_corrt);
1208         /* Subtract the profile for the kinetic energy */
1209         v_corrt[XX] -= cosz*cosacc->vcos;
1210         for (d = 0; (d < DIM); d++)
1211         {
1212             for (m = 0; (m < DIM); m++)
1213             {
1214                 /* if we're computing a full step velocity, v_corrt[d] has v(t).  Otherwise, v(t+dt/2) */
1215                 if (bEkinAveVel)
1216                 {
1217                     tcstat[gt].ekinf[m][d] += hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
1218                 }
1219                 else
1220                 {
1221                     tcstat[gt].ekinh[m][d] += hm*v_corrt[m]*v_corrt[d];
1222                 }
1223             }
1224         }
1225         if (md->nPerturbed && md->bPerturbed[n])
1226         {
1227             /* The minus sign here might be confusing.
1228              * The kinetic contribution from dH/dl doesn't come from
1229              * d m(l)/2 v^2 / dl, but rather from d p^2/2m(l) / dl,
1230              * where p are the momenta. The difference is only a minus sign.
1231              */
1232             dekindl -= 0.5*(md->massB[n] - md->massA[n])*iprod(v_corrt, v_corrt);
1233         }
1234     }
1235     ekind->dekindl = dekindl;
1236     cosacc->mvcos  = mvcos;
1237
1238     inc_nrnb(nrnb, eNR_EKIN, homenr);
1239 }
1240
1241 void calc_ke_part(const t_state *state, const t_grpopts *opts, const t_mdatoms *md,
1242                   gmx_ekindata_t *ekind, t_nrnb *nrnb, gmx_bool bEkinAveVel)
1243 {
1244     if (ekind->cosacc.cos_accel == 0)
1245     {
1246         calc_ke_part_normal(state->v.rvec_array(), opts, md, ekind, nrnb, bEkinAveVel);
1247     }
1248     else
1249     {
1250         calc_ke_part_visc(state->box, state->x.rvec_array(), state->v.rvec_array(), opts, md, ekind, nrnb, bEkinAveVel);
1251     }
1252 }
1253
1254 extern void init_ekinstate(ekinstate_t *ekinstate, const t_inputrec *ir)
1255 {
1256     ekinstate->ekin_n = ir->opts.ngtc;
1257     snew(ekinstate->ekinh, ekinstate->ekin_n);
1258     snew(ekinstate->ekinf, ekinstate->ekin_n);
1259     snew(ekinstate->ekinh_old, ekinstate->ekin_n);
1260     ekinstate->ekinscalef_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1261     ekinstate->ekinscaleh_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1262     ekinstate->vscale_nhc.resize(ekinstate->ekin_n);
1263     ekinstate->dekindl = 0;
1264     ekinstate->mvcos   = 0;
1265 }
1266
1267 void update_ekinstate(ekinstate_t *ekinstate, const gmx_ekindata_t *ekind)
1268 {
1269     int i;
1270
1271     for (i = 0; i < ekinstate->ekin_n; i++)
1272     {
1273         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh, ekinstate->ekinh[i]);
1274         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinf, ekinstate->ekinf[i]);
1275         copy_mat(ekind->tcstat[i].ekinh_old, ekinstate->ekinh_old[i]);
1276         ekinstate->ekinscalef_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc;
1277         ekinstate->ekinscaleh_nhc[i] = ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc;
1278         ekinstate->vscale_nhc[i]     = ekind->tcstat[i].vscale_nhc;
1279     }
1280
1281     copy_mat(ekind->ekin, ekinstate->ekin_total);
1282     ekinstate->dekindl = ekind->dekindl;
1283     ekinstate->mvcos   = ekind->cosacc.mvcos;
1284
1285 }
1286
1287 void restore_ekinstate_from_state(const t_commrec *cr,
1288                                   gmx_ekindata_t *ekind, const ekinstate_t *ekinstate)
1289 {
1290     int i, n;
1291
1292     if (MASTER(cr))
1293     {
1294         for (i = 0; i < ekinstate->ekin_n; i++)
1295         {
1296             copy_mat(ekinstate->ekinh[i], ekind->tcstat[i].ekinh);
1297             copy_mat(ekinstate->ekinf[i], ekind->tcstat[i].ekinf);
1298             copy_mat(ekinstate->ekinh_old[i], ekind->tcstat[i].ekinh_old);
1299             ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc = ekinstate->ekinscalef_nhc[i];
1300             ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc = ekinstate->ekinscaleh_nhc[i];
1301             ekind->tcstat[i].vscale_nhc     = ekinstate->vscale_nhc[i];
1302         }
1303
1304         copy_mat(ekinstate->ekin_total, ekind->ekin);
1305
1306         ekind->dekindl      = ekinstate->dekindl;
1307         ekind->cosacc.mvcos = ekinstate->mvcos;
1308         n                   = ekinstate->ekin_n;
1309     }
1310
1311     if (PAR(cr))
1312     {
1313         gmx_bcast(sizeof(n), &n, cr);
1314         for (i = 0; i < n; i++)
1315         {
1316             gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinh[0][0]),
1317                       ekind->tcstat[i].ekinh[0], cr);
1318             gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinf[0][0]),
1319                       ekind->tcstat[i].ekinf[0], cr);
1320             gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->tcstat[i].ekinh_old[0][0]),
1321                       ekind->tcstat[i].ekinh_old[0], cr);
1322
1323             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc),
1324                       &(ekind->tcstat[i].ekinscalef_nhc), cr);
1325             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc),
1326                       &(ekind->tcstat[i].ekinscaleh_nhc), cr);
1327             gmx_bcast(sizeof(ekind->tcstat[i].vscale_nhc),
1328                       &(ekind->tcstat[i].vscale_nhc), cr);
1329         }
1330         gmx_bcast(DIM*DIM*sizeof(ekind->ekin[0][0]),
1331                   ekind->ekin[0], cr);
1332
1333         gmx_bcast(sizeof(ekind->dekindl), &ekind->dekindl, cr);
1334         gmx_bcast(sizeof(ekind->cosacc.mvcos), &ekind->cosacc.mvcos, cr);
1335     }
1336 }
1337
1338 void update_tcouple(int64_t           step,
1339                     const t_inputrec *inputrec,
1340                     t_state          *state,
1341                     gmx_ekindata_t   *ekind,
1342                     const t_extmass  *MassQ,
1343                     const t_mdatoms  *md)
1344
1345 {
1346     bool doTemperatureCoupling = false;
1347
1348     /* if using vv with trotter decomposition methods, we do this elsewhere in the code */
1349     if (!(EI_VV(inputrec->eI) &&
1350           (inputrecNvtTrotter(inputrec) || inputrecNptTrotter(inputrec) || inputrecNphTrotter(inputrec))))
1351     {
1352         doTemperatureCoupling = isTemperatureCouplingStep(step, inputrec);
1353     }
1354
1355     if (doTemperatureCoupling)
1356     {
1357         real dttc = inputrec->nsttcouple*inputrec->delta_t;
1358
1359         switch (inputrec->etc)
1360         {
1361             case etcNO:
1362                 break;
1363             case etcBERENDSEN:
1364                 berendsen_tcoupl(inputrec, ekind, dttc, state->therm_integral);
1365                 break;
1366             case etcNOSEHOOVER:
1367                 nosehoover_tcoupl(&(inputrec->opts), ekind, dttc,
1368                                   state->nosehoover_xi.data(), state->nosehoover_vxi.data(), MassQ);
1369                 break;
1370             case etcVRESCALE:
1371                 vrescale_tcoupl(inputrec, step, ekind, dttc,
1372                                 state->therm_integral.data());
1373                 break;
1374         }
1375         /* rescale in place here */
1376         if (EI_VV(inputrec->eI))
1377         {
1378             rescale_velocities(ekind, md, 0, md->homenr, state->v.rvec_array());
1379         }
1380     }
1381     else
1382     {
1383         /* Set the T scaling lambda to 1 to have no scaling */
1384         for (int i = 0; (i < inputrec->opts.ngtc); i++)
1385         {
1386             ekind->tcstat[i].lambda = 1.0;
1387         }
1388     }
1389 }
1390
1391 /*! \brief Computes the atom range for a thread to operate on, ensured SIMD aligned ranges
1392  *
1393  * \param[in]  numThreads   The number of threads to divide atoms over
1394  * \param[in]  threadIndex  The thread to get the range for
1395  * \param[in]  numAtoms     The total number of atoms (on this rank)
1396  * \param[out] startAtom    The start of the atom range
1397  * \param[out] endAtom      The end of the atom range, note that this is in general not a multiple of the SIMD width
1398  */
1399 static void getThreadAtomRange(int numThreads, int threadIndex, int numAtoms,
1400                                int *startAtom, int *endAtom)
1401 {
1402 #if GMX_HAVE_SIMD_UPDATE
1403     constexpr int blockSize = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
1404 #else
1405     constexpr int blockSize = 1;
1406 #endif
1407     int           numBlocks = (numAtoms + blockSize - 1)/blockSize;
1408
1409     *startAtom    = ((numBlocks* threadIndex     )/numThreads)*blockSize;
1410     *endAtom      = ((numBlocks*(threadIndex + 1))/numThreads)*blockSize;
1411     if (threadIndex == numThreads - 1)
1412     {
1413         *endAtom  = numAtoms;
1414     }
1415 }
1416
1417 void update_pcouple_before_coordinates(FILE             *fplog,
1418                                        int64_t           step,
1419                                        const t_inputrec *inputrec,
1420                                        t_state          *state,
1421                                        matrix            parrinellorahmanMu,
1422                                        matrix            M,
1423                                        gmx_bool          bInitStep)
1424 {
1425     /* Berendsen P-coupling is completely handled after the coordinate update.
1426      * Trotter P-coupling is handled by separate calls to trotter_update().
1427      */
1428     if (inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN &&
1429         isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1430     {
1431         real dtpc = inputrec->nstpcouple*inputrec->delta_t;
1432
1433         parrinellorahman_pcoupl(fplog, step, inputrec, dtpc, state->pres_prev,
1434                                 state->box, state->box_rel, state->boxv,
1435                                 M, parrinellorahmanMu, bInitStep);
1436     }
1437 }
1438
1439 void constrain_velocities(int64_t                        step,
1440                           real                          *dvdlambda, /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1441                           t_state                       *state,
1442                           tensor                         vir_part,
1443                           gmx::Constraints              *constr,
1444                           gmx_bool                       bCalcVir,
1445                           bool                           do_log,
1446                           bool                           do_ene)
1447 {
1448     if (!constr)
1449     {
1450         return;
1451     }
1452
1453     /*
1454      *  Steps (7C, 8C)
1455      *  APPLY CONSTRAINTS:
1456      *  BLOCK SHAKE
1457      */
1458
1459     {
1460         tensor vir_con;
1461
1462         /* clear out constraints before applying */
1463         clear_mat(vir_part);
1464
1465         /* Constrain the coordinates upd->xp */
1466         constr->apply(do_log, do_ene,
1467                       step, 1, 1.0,
1468                       state->x.rvec_array(), state->v.rvec_array(), state->v.rvec_array(),
1469                       state->box,
1470                       state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1471                       nullptr, bCalcVir ? &vir_con : nullptr, ConstraintVariable::Velocities);
1472
1473         if (bCalcVir)
1474         {
1475             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1476         }
1477     }
1478 }
1479
1480 void constrain_coordinates(int64_t                        step,
1481                            real                          *dvdlambda, /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1482                            t_state                       *state,
1483                            tensor                         vir_part,
1484                            gmx_update_t                  *upd,
1485                            gmx::Constraints              *constr,
1486                            gmx_bool                       bCalcVir,
1487                            bool                           do_log,
1488                            bool                           do_ene)
1489 {
1490     if (!constr)
1491     {
1492         return;
1493     }
1494
1495     {
1496         tensor vir_con;
1497
1498         /* clear out constraints before applying */
1499         clear_mat(vir_part);
1500
1501         /* Constrain the coordinates upd->xp */
1502         constr->apply(do_log, do_ene,
1503                       step, 1, 1.0,
1504                       state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array(), nullptr,
1505                       state->box,
1506                       state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1507                       as_rvec_array(state->v.data()), bCalcVir ? &vir_con : nullptr, ConstraintVariable::Positions);
1508
1509         if (bCalcVir)
1510         {
1511             m_add(vir_part, vir_con, vir_part);
1512         }
1513     }
1514 }
1515
1516 void
1517 update_sd_second_half(int64_t                        step,
1518                       real                          *dvdlambda,   /* the contribution to be added to the bonded interactions */
1519                       const t_inputrec              *inputrec,    /* input record and box stuff */
1520                       const t_mdatoms               *md,
1521                       t_state                       *state,
1522                       const t_commrec               *cr,
1523                       t_nrnb                        *nrnb,
1524                       gmx_wallcycle_t                wcycle,
1525                       gmx_update_t                  *upd,
1526                       gmx::Constraints              *constr,
1527                       bool                           do_log,
1528                       bool                           do_ene)
1529 {
1530     if (!constr)
1531     {
1532         return;
1533     }
1534     if (inputrec->eI == eiSD1)
1535     {
1536         int nth, th;
1537         int homenr = md->homenr;
1538
1539         /* Cast delta_t from double to real to make the integrators faster.
1540          * The only reason for having delta_t double is to get accurate values
1541          * for t=delta_t*step when step is larger than float precision.
1542          * For integration dt the accuracy of real suffices, since with
1543          * integral += dt*integrand the increment is nearly always (much) smaller
1544          * than the integral (and the integrand has real precision).
1545          */
1546         real dt     = inputrec->delta_t;
1547
1548         wallcycle_start(wcycle, ewcUPDATE);
1549
1550         nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1551
1552 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1553         for (th = 0; th < nth; th++)
1554         {
1555             try
1556             {
1557                 int start_th, end_th;
1558                 getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1559
1560                 doSDUpdateGeneral<SDUpdate::FrictionAndNoiseOnly>
1561                     (*upd->sd,
1562                     start_th, end_th, dt,
1563                     inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1564                     md->invmass, md->ptype,
1565                     md->cFREEZE, nullptr, md->cTC,
1566                     state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array(),
1567                     state->v.rvec_array(), nullptr,
1568                     step, inputrec->ld_seed,
1569                     DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1570             }
1571             GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1572         }
1573         inc_nrnb(nrnb, eNR_UPDATE, homenr);
1574         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1575
1576         /* Constrain the coordinates upd->xp for half a time step */
1577         constr->apply(do_log, do_ene,
1578                       step, 1, 0.5,
1579                       state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array(), nullptr,
1580                       state->box,
1581                       state->lambda[efptBONDED], dvdlambda,
1582                       as_rvec_array(state->v.data()), nullptr, ConstraintVariable::Positions);
1583     }
1584 }
1585
1586 void finish_update(const t_inputrec              *inputrec,  /* input record and box stuff      */
1587                    const t_mdatoms               *md,
1588                    t_state                       *state,
1589                    const t_graph                 *graph,
1590                    t_nrnb                        *nrnb,
1591                    gmx_wallcycle_t                wcycle,
1592                    gmx_update_t                  *upd,
1593                    const gmx::Constraints        *constr)
1594 {
1595     int homenr = md->homenr;
1596
1597     /* We must always unshift after updating coordinates; if we did not shake
1598        x was shifted in do_force */
1599
1600     /* NOTE Currently we always integrate to a temporary buffer and
1601      * then copy the results back. */
1602     {
1603         wallcycle_start_nocount(wcycle, ewcUPDATE);
1604
1605         if (md->cFREEZE != nullptr && constr != nullptr)
1606         {
1607             /* If we have atoms that are frozen along some, but not all
1608              * dimensions, then any constraints will have moved them also along
1609              * the frozen dimensions. To freeze such degrees of freedom
1610              * we copy them back here to later copy them forward. It would
1611              * be more elegant and slightly more efficient to copies zero
1612              * times instead of twice, but the graph case below prevents this.
1613              */
1614             const ivec *nFreeze                     = inputrec->opts.nFreeze;
1615             bool        partialFreezeAndConstraints = false;
1616             for (int g = 0; g < inputrec->opts.ngfrz; g++)
1617             {
1618                 int numFreezeDim = nFreeze[g][XX] + nFreeze[g][YY] + nFreeze[g][ZZ];
1619                 if (numFreezeDim > 0 && numFreezeDim < 3)
1620                 {
1621                     partialFreezeAndConstraints = true;
1622                 }
1623             }
1624             if (partialFreezeAndConstraints)
1625             {
1626                 auto xp = makeArrayRef(upd->xp).subArray(0, homenr);
1627                 auto x  = makeConstArrayRef(state->x).subArray(0, homenr);
1628                 for (int i = 0; i < homenr; i++)
1629                 {
1630                     int g = md->cFREEZE[i];
1631
1632                     for (int d = 0; d < DIM; d++)
1633                     {
1634                         if (nFreeze[g][d])
1635                         {
1636                             xp[i][d] = x[i][d];
1637                         }
1638                     }
1639                 }
1640             }
1641         }
1642
1643         if (graph && (graph->nnodes > 0))
1644         {
1645             unshift_x(graph, state->box, state->x.rvec_array(), upd->xp.rvec_array());
1646             if (TRICLINIC(state->box))
1647             {
1648                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, 2*graph->nnodes);
1649             }
1650             else
1651             {
1652                 inc_nrnb(nrnb, eNR_SHIFTX, graph->nnodes);
1653             }
1654         }
1655         else
1656         {
1657             auto           xp = makeConstArrayRef(upd->xp).subArray(0, homenr);
1658             auto           x  = makeArrayRef(state->x).subArray(0, homenr);
1659 #ifndef __clang_analyzer__
1660             int gmx_unused nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1661 #endif
1662 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1663             for (int i = 0; i < homenr; i++)
1664             {
1665                 // Trivial statement, does not throw
1666                 x[i] = xp[i];
1667             }
1668         }
1669         wallcycle_stop(wcycle, ewcUPDATE);
1670     }
1671     /* ############# END the update of velocities and positions ######### */
1672 }
1673
1674 void update_pcouple_after_coordinates(FILE             *fplog,
1675                                       int64_t           step,
1676                                       const t_inputrec *inputrec,
1677                                       const t_mdatoms  *md,
1678                                       const matrix      pressure,
1679                                       const matrix      forceVirial,
1680                                       const matrix      constraintVirial,
1681                                       const matrix      parrinellorahmanMu,
1682                                       t_state          *state,
1683                                       t_nrnb           *nrnb,
1684                                       gmx_update_t     *upd)
1685 {
1686     int  start  = 0;
1687     int  homenr = md->homenr;
1688
1689     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1690     real dt     = inputrec->delta_t;
1691
1692
1693     /* now update boxes */
1694     switch (inputrec->epc)
1695     {
1696         case (epcNO):
1697             break;
1698         case (epcBERENDSEN):
1699             if (isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1700             {
1701                 real   dtpc = inputrec->nstpcouple*dt;
1702                 matrix mu;
1703                 berendsen_pcoupl(fplog, step, inputrec, dtpc,
1704                                  pressure, state->box,
1705                                  forceVirial, constraintVirial,
1706                                  mu, &state->baros_integral);
1707                 berendsen_pscale(inputrec, mu, state->box, state->box_rel,
1708                                  start, homenr, state->x.rvec_array(),
1709                                  md->cFREEZE, nrnb);
1710             }
1711             break;
1712         case (epcPARRINELLORAHMAN):
1713             if (isPressureCouplingStep(step, inputrec))
1714             {
1715                 /* The box velocities were updated in do_pr_pcoupl,
1716                  * but we dont change the box vectors until we get here
1717                  * since we need to be able to shift/unshift above.
1718                  */
1719                 real dtpc = inputrec->nstpcouple*dt;
1720                 for (int i = 0; i < DIM; i++)
1721                 {
1722                     for (int m = 0; m <= i; m++)
1723                     {
1724                         state->box[i][m] += dtpc*state->boxv[i][m];
1725                     }
1726                 }
1727                 preserve_box_shape(inputrec, state->box_rel, state->box);
1728
1729                 /* Scale the coordinates */
1730                 auto x = state->x.rvec_array();
1731                 for (int n = start; n < start + homenr; n++)
1732                 {
1733                     tmvmul_ur0(parrinellorahmanMu, x[n], x[n]);
1734                 }
1735             }
1736             break;
1737         case (epcMTTK):
1738             switch (inputrec->epct)
1739             {
1740                 case (epctISOTROPIC):
1741                     /* DIM * eta = ln V.  so DIM*eta_new = DIM*eta_old + DIM*dt*veta =>
1742                        ln V_new = ln V_old + 3*dt*veta => V_new = V_old*exp(3*dt*veta) =>
1743                        Side length scales as exp(veta*dt) */
1744
1745                     msmul(state->box, std::exp(state->veta*dt), state->box);
1746
1747                     /* Relate veta to boxv.  veta = d(eta)/dT = (1/DIM)*1/V dV/dT.
1748                        o               If we assume isotropic scaling, and box length scaling
1749                        factor L, then V = L^DIM (det(M)).  So dV/dt = DIM
1750                        L^(DIM-1) dL/dt det(M), and veta = (1/L) dL/dt.  The
1751                        determinant of B is L^DIM det(M), and the determinant
1752                        of dB/dt is (dL/dT)^DIM det (M).  veta will be
1753                        (det(dB/dT)/det(B))^(1/3).  Then since M =
1754                        B_new*(vol_new)^(1/3), dB/dT_new = (veta_new)*B(new). */
1755
1756                     msmul(state->box, state->veta, state->boxv);
1757                     break;
1758                 default:
1759                     break;
1760             }
1761             break;
1762         default:
1763             break;
1764     }
1765
1766     if (upd->deform)
1767     {
1768         auto localX = makeArrayRef(state->x).subArray(start, homenr);
1769         upd->deform->apply(localX, state->box, step);
1770     }
1771 }
1772
1773 void update_coords(int64_t                             step,
1774                    const t_inputrec                   *inputrec, /* input record and box stuff  */
1775                    const t_mdatoms                    *md,
1776                    t_state                            *state,
1777                    gmx::ArrayRefWithPadding<gmx::RVec> f,
1778                    const t_fcdata                     *fcd,
1779                    const gmx_ekindata_t               *ekind,
1780                    const matrix                        M,
1781                    gmx_update_t                       *upd,
1782                    int                                 UpdatePart,
1783                    const t_commrec                    *cr, /* these shouldn't be here -- need to think about it */
1784                    const gmx::Constraints             *constr)
1785 {
1786     gmx_bool bDoConstr = (nullptr != constr);
1787
1788     /* Running the velocity half does nothing except for velocity verlet */
1789     if ((UpdatePart == etrtVELOCITY1 || UpdatePart == etrtVELOCITY2) &&
1790         !EI_VV(inputrec->eI))
1791     {
1792         gmx_incons("update_coords called for velocity without VV integrator");
1793     }
1794
1795     int  homenr = md->homenr;
1796
1797     /* Cast to real for faster code, no loss in precision (see comment above) */
1798     real dt     = inputrec->delta_t;
1799
1800     /* We need to update the NMR restraint history when time averaging is used */
1801     if (state->flags & (1<<estDISRE_RM3TAV))
1802     {
1803         update_disres_history(fcd, &state->hist);
1804     }
1805     if (state->flags & (1<<estORIRE_DTAV))
1806     {
1807         update_orires_history(fcd, &state->hist);
1808     }
1809
1810     /* ############# START The update of velocities and positions ######### */
1811     int nth = gmx_omp_nthreads_get(emntUpdate);
1812
1813 #pragma omp parallel for num_threads(nth) schedule(static)
1814     for (int th = 0; th < nth; th++)
1815     {
1816         try
1817         {
1818             int start_th, end_th;
1819             getThreadAtomRange(nth, th, homenr, &start_th, &end_th);
1820
1821             const rvec *x_rvec  = state->x.rvec_array();
1822             rvec       *xp_rvec = upd->xp.rvec_array();
1823             rvec       *v_rvec  = state->v.rvec_array();
1824             const rvec *f_rvec  = as_rvec_array(f.unpaddedArrayRef().data());
1825
1826             switch (inputrec->eI)
1827             {
1828                 case (eiMD):
1829                     do_update_md(start_th, end_th, step, dt,
1830                                  inputrec, md, ekind, state->box,
1831                                  x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1832                                  state->nosehoover_vxi.data(), M);
1833                     break;
1834                 case (eiSD1):
1835                     if (bDoConstr)
1836                     {
1837                         // With constraints, the SD update is done in 2 parts
1838                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::ForcesOnly>
1839                             (*upd->sd,
1840                             start_th, end_th, dt,
1841                             inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1842                             md->invmass, md->ptype,
1843                             md->cFREEZE, md->cACC, nullptr,
1844                             x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1845                             step, inputrec->ld_seed, nullptr);
1846                     }
1847                     else
1848                     {
1849                         doSDUpdateGeneral<SDUpdate::Combined>
1850                             (*upd->sd,
1851                             start_th, end_th, dt,
1852                             inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1853                             md->invmass, md->ptype,
1854                             md->cFREEZE, md->cACC, md->cTC,
1855                             x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1856                             step, inputrec->ld_seed,
1857                             DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1858                     }
1859                     break;
1860                 case (eiBD):
1861                     do_update_bd(start_th, end_th, dt,
1862                                  inputrec->opts.nFreeze, md->invmass, md->ptype,
1863                                  md->cFREEZE, md->cTC,
1864                                  x_rvec, xp_rvec, v_rvec, f_rvec,
1865                                  inputrec->bd_fric,
1866                                  upd->sd->bd_rf.data(),
1867                                  step, inputrec->ld_seed, DOMAINDECOMP(cr) ? cr->dd->globalAtomIndices.data() : nullptr);
1868                     break;
1869                 case (eiVV):
1870                 case (eiVVAK):
1871                 {
1872                     gmx_bool bExtended = (inputrec->etc == etcNOSEHOOVER ||
1873                                           inputrec->epc == epcPARRINELLORAHMAN ||
1874                                           inputrec->epc == epcMTTK);
1875
1876                     /* assuming barostat coupled to group 0 */
1877                     real alpha = 1.0 + DIM/static_cast<real>(inputrec->opts.nrdf[0]);
1878                     switch (UpdatePart)
1879                     {
1880                         case etrtVELOCITY1:
1881                         case etrtVELOCITY2:
1882                             do_update_vv_vel(start_th, end_th, dt,
1883                                              inputrec->opts.acc, inputrec->opts.nFreeze,
1884                                              md->invmass, md->ptype,
1885                                              md->cFREEZE, md->cACC,
1886                                              v_rvec, f_rvec,
1887                                              bExtended, state->veta, alpha);
1888                             break;
1889                         case etrtPOSITION:
1890                             do_update_vv_pos(start_th, end_th, dt,
1891                                              inputrec->opts.nFreeze,
1892                                              md->ptype, md->cFREEZE,
1893                                              x_rvec, xp_rvec, v_rvec,
1894                                              bExtended, state->veta);
1895                             break;
1896                     }
1897                     break;
1898                 }
1899                 default:
1900                     gmx_fatal(FARGS, "Don't know how to update coordinates");
1901             }
1902         }
1903         GMX_CATCH_ALL_AND_EXIT_WITH_FATAL_ERROR;
1904     }
1905
1906 }
1907
1908 extern gmx_bool update_randomize_velocities(const t_inputrec *ir, int64_t step, const t_commrec *cr,
1909                                             const t_mdatoms *md,
1910                                             gmx::ArrayRef<gmx::RVec> v,
1911                                             const gmx_update_t *upd,
1912                                             const gmx::Constraints *constr)
1913 {
1914
1915     real rate = (ir->delta_t)/ir->opts.tau_t[0];
1916
1917     if (ir->etc == etcANDERSEN && constr != nullptr)
1918     {
1919         /* Currently, Andersen thermostat does not support constrained
1920            systems. Functionality exists in the andersen_tcoupl
1921            function in GROMACS 4.5.7 to allow this combination. That
1922            code could be ported to the current random-number
1923            generation approach, but has not yet been done because of
1924            lack of time and resources. */
1925         gmx_fatal(FARGS, "Normal Andersen is currently not supported with constraints, use massive Andersen instead");
1926     }
1927
1928     /* proceed with andersen if 1) it's fixed probability per
1929        particle andersen or 2) it's massive andersen and it's tau_t/dt */
1930     if ((ir->etc == etcANDERSEN) || do_per_step(step, roundToInt(1.0/rate)))
1931     {
1932         andersen_tcoupl(ir, step, cr, md, v, rate,
1933                         upd->sd->randomize_group,
1934                         upd->sd->boltzfac);
1935         return TRUE;
1936     }
1937     return FALSE;
1938 }