src/gromacs/simd/impl_x86_avx_512/impl_x86_avx_512_simd_double.h

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 2014,2015,2016,2017,2018,2019, by the GROMACS development team, led by
   5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   8  *
   9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  12  * of the License, or (at your option) any later version.
  13  *
  14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  17  * Lesser General Public License for more details.
  18  *
  19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  20  * License along with GROMACS; if not, see
  21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  23  *
  24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  25  * consider that scientific software is very special. Version
  26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  30  * official version at http://www.gromacs.org.
  31  *
  32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  34  */
  35
  36 #ifndef GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_512_SIMD_DOUBLE_H
  37 #define GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_512_SIMD_DOUBLE_H
  38
  39 #include "config.h"
  40
  41 #include <cassert>
  42 #include <cstdint>
  43
  44 #include <immintrin.h>
  45
  46 #include "gromacs/math/utilities.h"
  47 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  48
  49 #include "impl_x86_avx_512_general.h"
  50 #include "impl_x86_avx_512_simd_float.h"
  51
  52 namespace gmx
  53 {
  54
  55 class SimdDouble
  56 {
  57 public:
  58     SimdDouble() {}
  59
  60     SimdDouble(double d) : simdInternal_(_mm512_set1_pd(d)) {}
  61
  62     // Internal utility constructor to simplify return statements
  63     SimdDouble(__m512d simd) : simdInternal_(simd) {}
  64
  65     __m512d simdInternal_;
  66 };
  67
  68 class SimdDInt32
  69 {
  70 public:
  71     SimdDInt32() {}
  72
  73     SimdDInt32(std::int32_t i) : simdInternal_(_mm256_set1_epi32(i)) {}
  74
  75     // Internal utility constructor to simplify return statements
  76     SimdDInt32(__m256i simd) : simdInternal_(simd) {}
  77
  78     __m256i simdInternal_;
  79 };
  80
  81 class SimdDBool
  82 {
  83 public:
  84     SimdDBool() {}
  85
  86     // Internal utility constructor to simplify return statements
  87     SimdDBool(__mmask8 simd) : simdInternal_(simd) {}
  88
  89     __mmask8 simdInternal_;
  90 };
  91
  92 class SimdDIBool
  93 {
  94 public:
  95     SimdDIBool() {}
  96
  97     // Internal utility constructor to simplify return statements
  98     SimdDIBool(__mmask16 simd) : simdInternal_(simd) {}
  99
 100     __mmask16 simdInternal_;
 101 };
 102
 103 static inline SimdDouble gmx_simdcall simdLoad(const double* m, SimdDoubleTag = {})
 104 {
 105     assert(std::size_t(m) % 64 == 0);
 106     return { _mm512_load_pd(m) };
 107 }
 108
 109 static inline void gmx_simdcall store(double* m, SimdDouble a)
 110 {
 111     assert(std::size_t(m) % 64 == 0);
 112     _mm512_store_pd(m, a.simdInternal_);
 113 }
 114
 115 static inline SimdDouble gmx_simdcall simdLoadU(const double* m, SimdDoubleTag = {})
 116 {
 117     return { _mm512_loadu_pd(m) };
 118 }
 119
 120 static inline void gmx_simdcall storeU(double* m, SimdDouble a)
 121 {
 122     _mm512_storeu_pd(m, a.simdInternal_);
 123 }
 124
 125 static inline SimdDouble gmx_simdcall setZeroD()
 126 {
 127     return { _mm512_setzero_pd() };
 128 }
 129
 130 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall simdLoad(const std::int32_t* m, SimdDInt32Tag)
 131 {
 132     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
 133     return { _mm256_load_si256(reinterpret_cast<const __m256i*>(m)) };
 134 }
 135
 136 static inline void gmx_simdcall store(std::int32_t* m, SimdDInt32 a)
 137 {
 138     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
 139     _mm256_store_si256(reinterpret_cast<__m256i*>(m), a.simdInternal_);
 140 }
 141
 142 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall simdLoadU(const std::int32_t* m, SimdDInt32Tag)
 143 {
 144     return { _mm256_loadu_si256(reinterpret_cast<const __m256i*>(m)) };
 145 }
 146
 147 static inline void gmx_simdcall storeU(std::int32_t* m, SimdDInt32 a)
 148 {
 149     _mm256_storeu_si256(reinterpret_cast<__m256i*>(m), a.simdInternal_);
 150 }
 151
 152 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall setZeroDI()
 153 {
 154     return { _mm256_setzero_si256() };
 155 }
 156
 157 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator&(SimdDouble a, SimdDouble b)
 158 {
 159     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_and_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 160                                                   _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 161 }
 162
 163 static inline SimdDouble gmx_simdcall andNot(SimdDouble a, SimdDouble b)
 164 {
 165     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_andnot_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 166                                                      _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 167 }
 168
 169 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator|(SimdDouble a, SimdDouble b)
 170 {
 171     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_or_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 172                                                  _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 173 }
 174
 175 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator^(SimdDouble a, SimdDouble b)
 176 {
 177     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_xor_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 178                                                   _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 179 }
 180
 181 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator+(SimdDouble a, SimdDouble b)
 182 {
 183     return { _mm512_add_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 184 }
 185
 186 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator-(SimdDouble a, SimdDouble b)
 187 {
 188     return { _mm512_sub_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 189 }
 190
 191 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator-(SimdDouble x)
 192 {
 193     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_xor_epi32(_mm512_castpd_si512(x.simdInternal_),
 194                                                   _mm512_castpd_si512(_mm512_set1_pd(GMX_DOUBLE_NEGZERO)))) };
 195 }
 196
 197 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator*(SimdDouble a, SimdDouble b)
 198 {
 199     return { _mm512_mul_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 200 }
 201
 202 static inline SimdDouble gmx_simdcall fma(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 203 {
 204     return { _mm512_fmadd_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 205 }
 206
 207 static inline SimdDouble gmx_simdcall fms(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 208 {
 209     return { _mm512_fmsub_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 210 }
 211
 212 static inline SimdDouble gmx_simdcall fnma(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 213 {
 214     return { _mm512_fnmadd_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 215 }
 216
 217 static inline SimdDouble gmx_simdcall fnms(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 218 {
 219     return { _mm512_fnmsub_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 220 }
 221
 222 // Override for AVX-512-KNL
 223 #if GMX_SIMD_X86_AVX_512
 224 static inline SimdDouble gmx_simdcall rsqrt(SimdDouble x)
 225 {
 226     return { _mm512_rsqrt14_pd(x.simdInternal_) };
 227 }
 228
 229 static inline SimdDouble gmx_simdcall rcp(SimdDouble x)
 230 {
 231     return { _mm512_rcp14_pd(x.simdInternal_) };
 232 }
 233 #endif
 234
 235 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskAdd(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDBool m)
 236 {
 237     return { _mm512_mask_add_pd(a.simdInternal_, m.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 238 }
 239
 240 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzMul(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDBool m)
 241 {
 242     return { _mm512_maskz_mul_pd(m.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 243 }
 244
 245 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzFma(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c, SimdDBool m)
 246 {
 247     return { _mm512_maskz_fmadd_pd(m.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 248 }
 249
 250 // Override for AVX-512-KNL
 251 #if GMX_SIMD_X86_AVX_512
 252 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzRsqrt(SimdDouble x, SimdDBool m)
 253 {
 254     return { _mm512_maskz_rsqrt14_pd(m.simdInternal_, x.simdInternal_) };
 255 }
 256
 257 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzRcp(SimdDouble x, SimdDBool m)
 258 {
 259     return { _mm512_maskz_rcp14_pd(m.simdInternal_, x.simdInternal_) };
 260 }
 261 #endif
 262
 263 static inline SimdDouble gmx_simdcall abs(SimdDouble x)
 264 {
 265     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_andnot_epi32(_mm512_castpd_si512(_mm512_set1_pd(GMX_DOUBLE_NEGZERO)),
 266                                                      _mm512_castpd_si512(x.simdInternal_))) };
 267 }
 268
 269 static inline SimdDouble gmx_simdcall max(SimdDouble a, SimdDouble b)
 270 {
 271     return { _mm512_max_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 272 }
 273
 274 static inline SimdDouble gmx_simdcall min(SimdDouble a, SimdDouble b)
 275 {
 276     return { _mm512_min_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 277 }
 278
 279 static inline SimdDouble gmx_simdcall round(SimdDouble x)
 280 {
 281     return { _mm512_roundscale_pd(x.simdInternal_, 0) };
 282 }
 283
 284 static inline SimdDouble gmx_simdcall trunc(SimdDouble x)
 285 {
 286 #if defined(__INTEL_COMPILER) || defined(__ECC)
 287     return { _mm512_trunc_pd(x.simdInternal_) };
 288 #else
 289     return { _mm512_cvtepi32_pd(_mm512_cvttpd_epi32(x.simdInternal_)) };
 290 #endif
 291 }
 292
 293 static inline SimdDouble frexp(SimdDouble value, SimdDInt32* exponent)
 294 {
 295     __m512d rExponent = _mm512_getexp_pd(value.simdInternal_);
 296     __m256i iExponent = _mm512_cvtpd_epi32(rExponent);
 297
 298     exponent->simdInternal_ = _mm256_add_epi32(iExponent, _mm256_set1_epi32(1));
 299
 300     return { _mm512_getmant_pd(value.simdInternal_, _MM_MANT_NORM_p5_1, _MM_MANT_SIGN_src) };
 301 }
 302
 303 template<MathOptimization opt = MathOptimization::Safe>
 304 static inline SimdDouble ldexp(SimdDouble value, SimdDInt32 exponent)
 305 {
 306     const __m256i exponentBias = _mm256_set1_epi32(1023);
 307     __m256i       iExponent    = _mm256_add_epi32(exponent.simdInternal_, exponentBias);
 308     __m512i       iExponent512;
 309
 310     if (opt == MathOptimization::Safe)
 311     {
 312         // Make sure biased argument is not negative
 313         iExponent = _mm256_max_epi32(iExponent, _mm256_setzero_si256());
 314     }
 315
 316     iExponent512 =
 317             _mm512_permutexvar_epi32(_mm512_set_epi32(7, 7, 6, 6, 5, 5, 4, 4, 3, 3, 2, 2, 1, 1, 0, 0),
 318                                      _mm512_castsi256_si512(iExponent));
 319     iExponent512 =
 320             _mm512_mask_slli_epi32(_mm512_setzero_epi32(), avx512Int2Mask(0xAAAA), iExponent512, 20);
 321     return _mm512_mul_pd(_mm512_castsi512_pd(iExponent512), value.simdInternal_);
 322 }
 323
 324 static inline double gmx_simdcall reduce(SimdDouble a)
 325 {
 326     __m512d x = a.simdInternal_;
 327     x         = _mm512_add_pd(x, _mm512_shuffle_f64x2(x, x, 0xEE));
 328     x         = _mm512_add_pd(x, _mm512_shuffle_f64x2(x, x, 0x11));
 329     x         = _mm512_add_pd(x, _mm512_permute_pd(x, 0x01));
 330     return *reinterpret_cast<double*>(&x);
 331 }
 332
 333 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator==(SimdDouble a, SimdDouble b)
 334 {
 335     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_EQ_OQ) };
 336 }
 337
 338 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator!=(SimdDouble a, SimdDouble b)
 339 {
 340     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_NEQ_OQ) };
 341 }
 342
 343 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator<(SimdDouble a, SimdDouble b)
 344 {
 345     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_LT_OQ) };
 346 }
 347
 348 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator<=(SimdDouble a, SimdDouble b)
 349 {
 350     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_LE_OQ) };
 351 }
 352
 353 static inline SimdDBool gmx_simdcall testBits(SimdDouble a)
 354 {
 355     return { _mm512_test_epi64_mask(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 356                                     _mm512_castpd_si512(a.simdInternal_)) };
 357 }
 358
 359 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator&&(SimdDBool a, SimdDBool b)
 360 {
 361     return { static_cast<__mmask8>(_mm512_kand(a.simdInternal_, b.simdInternal_)) };
 362 }
 363
 364 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator||(SimdDBool a, SimdDBool b)
 365 {
 366     return { static_cast<__mmask8>(_mm512_kor(a.simdInternal_, b.simdInternal_)) };
 367 }
 368
 369 static inline bool gmx_simdcall anyTrue(SimdDBool a)
 370 {
 371     return (avx512Mask2Int(a.simdInternal_) != 0);
 372 }
 373
 374 static inline SimdDouble gmx_simdcall selectByMask(SimdDouble a, SimdDBool m)
 375 {
 376     return { _mm512_mask_mov_pd(_mm512_setzero_pd(), m.simdInternal_, a.simdInternal_) };
 377 }
 378
 379 static inline SimdDouble gmx_simdcall selectByNotMask(SimdDouble a, SimdDBool m)
 380 {
 381     return { _mm512_mask_mov_pd(a.simdInternal_, m.simdInternal_, _mm512_setzero_pd()) };
 382 }
 383
 384 static inline SimdDouble gmx_simdcall blend(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDBool sel)
 385 {
 386     return { _mm512_mask_blend_pd(sel.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 387 }
 388
 389 static inline SimdDouble gmx_simdcall copysign(SimdDouble a, SimdDouble b)
 390 {
 391     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_ternarylogic_epi64(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 392                                                            _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_),
 393                                                            _mm512_set1_epi64(INT64_MIN), 0xD8)) };
 394 }
 395
 396 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator&(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 397 {
 398     return { _mm256_and_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 399 }
 400
 401 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall andNot(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 402 {
 403     return { _mm256_andnot_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 404 }
 405
 406 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator|(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 407 {
 408     return { _mm256_or_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 409 }
 410
 411 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator^(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 412 {
 413     return { _mm256_xor_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 414 }
 415
 416 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator+(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 417 {
 418     return { _mm256_add_epi32(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 419 }
 420
 421 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator-(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 422 {
 423     return { _mm256_sub_epi32(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 424 }
 425
 426 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator*(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 427 {
 428     return { _mm256_mullo_epi32(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 429 }
 430
 431 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator==(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 432 {
 433     return { _mm512_mask_cmp_epi32_mask(avx512Int2Mask(0xFF), _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 434                                         _mm512_castsi256_si512(b.simdInternal_), _MM_CMPINT_EQ) };
 435 }
 436
 437 static inline SimdDIBool gmx_simdcall testBits(SimdDInt32 a)
 438 {
 439     return { _mm512_mask_test_epi32_mask(avx512Int2Mask(0xFF), _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 440                                          _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_)) };
 441 }
 442
 443 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator<(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 444 {
 445     return { _mm512_mask_cmp_epi32_mask(avx512Int2Mask(0xFF), _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 446                                         _mm512_castsi256_si512(b.simdInternal_), _MM_CMPINT_LT) };
 447 }
 448
 449 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator&&(SimdDIBool a, SimdDIBool b)
 450 {
 451     return { _mm512_kand(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 452 }
 453
 454 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator||(SimdDIBool a, SimdDIBool b)
 455 {
 456     return { _mm512_kor(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 457 }
 458
 459 static inline bool gmx_simdcall anyTrue(SimdDIBool a)
 460 {
 461     return (avx512Mask2Int(a.simdInternal_) & 0xFF) != 0;
 462 }
 463
 464 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall selectByMask(SimdDInt32 a, SimdDIBool m)
 465 {
 466     return { _mm512_castsi512_si256(_mm512_mask_mov_epi32(
 467             _mm512_setzero_si512(), m.simdInternal_, _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_))) };
 468 }
 469
 470 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall selectByNotMask(SimdDInt32 a, SimdDIBool m)
 471 {
 472     return { _mm512_castsi512_si256(_mm512_mask_mov_epi32(
 473             _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_), m.simdInternal_, _mm512_setzero_si512())) };
 474 }
 475
 476 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall blend(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b, SimdDIBool sel)
 477 {
 478     return { _mm512_castsi512_si256(
 479             _mm512_mask_blend_epi32(sel.simdInternal_, _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 480                                     _mm512_castsi256_si512(b.simdInternal_))) };
 481 }
 482
 483 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall cvtR2I(SimdDouble a)
 484 {
 485     return { _mm512_cvtpd_epi32(a.simdInternal_) };
 486 }
 487
 488 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall cvttR2I(SimdDouble a)
 489 {
 490     return { _mm512_cvttpd_epi32(a.simdInternal_) };
 491 }
 492
 493 static inline SimdDouble gmx_simdcall cvtI2R(SimdDInt32 a)
 494 {
 495     return { _mm512_cvtepi32_pd(a.simdInternal_) };
 496 }
 497
 498 static inline SimdDIBool gmx_simdcall cvtB2IB(SimdDBool a)
 499 {
 500     return { a.simdInternal_ };
 501 }
 502
 503 static inline SimdDBool gmx_simdcall cvtIB2B(SimdDIBool a)
 504 {
 505     return { static_cast<__mmask8>(a.simdInternal_) };
 506 }
 507
 508 static inline void gmx_simdcall cvtF2DD(SimdFloat f, SimdDouble* d0, SimdDouble* d1)
 509 {
 510     d0->simdInternal_ = _mm512_cvtps_pd(_mm512_castps512_ps256(f.simdInternal_));
 511     d1->simdInternal_ = _mm512_cvtps_pd(
 512             _mm512_castps512_ps256(_mm512_shuffle_f32x4(f.simdInternal_, f.simdInternal_, 0xEE)));
 513 }
 514
 515 static inline SimdFloat gmx_simdcall cvtDD2F(SimdDouble d0, SimdDouble d1)
 516 {
 517     __m512 f0 = _mm512_castps256_ps512(_mm512_cvtpd_ps(d0.simdInternal_));
 518     __m512 f1 = _mm512_castps256_ps512(_mm512_cvtpd_ps(d1.simdInternal_));
 519     return { _mm512_shuffle_f32x4(f0, f1, 0x44) };
 520 }
 521
 522 } // namespace gmx
 523
 524 #endif // GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_512_SIMD_DOUBLE_H