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 by the GROMACS development team.
   5  * Copyright (c) 2019,2020, by the GROMACS development team, led by
   6  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   7  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   8  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
   9  *
  10  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  11  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  12  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  13  * of the License, or (at your option) any later version.
  14  *
  15  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  16  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  * Lesser General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  21  * License along with GROMACS; if not, see
  22  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  23  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  24  *
  25  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  26  * consider that scientific software is very special. Version
  27  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  28  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  29  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  30  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  31  * official version at http://www.gromacs.org.
  32  *
  33  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  34  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  35  */
  36
  37 #ifndef GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_512_SIMD_DOUBLE_H
  38 #define GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_512_SIMD_DOUBLE_H
  39
  40 #include "config.h"
  41
  42 #include <cassert>
  43 #include <cstdint>
  44
  45 #include <immintrin.h>
  46
  47 #include "gromacs/math/utilities.h"
  48 #include "gromacs/utility/basedefinitions.h"
  49
  50 #include "impl_x86_avx_512_general.h"
  51 #include "impl_x86_avx_512_simd_float.h"
  52
  53 namespace gmx
  54 {
  55
  56 class SimdDouble
  57 {
  58 public:
  59     SimdDouble() {}
  60
  61     SimdDouble(double d) : simdInternal_(_mm512_set1_pd(d)) {}
  62
  63     // Internal utility constructor to simplify return statements
  64     SimdDouble(__m512d simd) : simdInternal_(simd) {}
  65
  66     __m512d simdInternal_;
  67 };
  68
  69 class SimdDInt32
  70 {
  71 public:
  72     SimdDInt32() {}
  73
  74     SimdDInt32(std::int32_t i) : simdInternal_(_mm256_set1_epi32(i)) {}
  75
  76     // Internal utility constructor to simplify return statements
  77     SimdDInt32(__m256i simd) : simdInternal_(simd) {}
  78
  79     __m256i simdInternal_;
  80 };
  81
  82 class SimdDBool
  83 {
  84 public:
  85     SimdDBool() {}
  86
  87     // Internal utility constructor to simplify return statements
  88     SimdDBool(__mmask8 simd) : simdInternal_(simd) {}
  89
  90     __mmask8 simdInternal_;
  91 };
  92
  93 class SimdDIBool
  94 {
  95 public:
  96     SimdDIBool() {}
  97
  98     // Internal utility constructor to simplify return statements
  99     SimdDIBool(__mmask16 simd) : simdInternal_(simd) {}
 100
 101     __mmask16 simdInternal_;
 102 };
 103
 104 static inline SimdDouble gmx_simdcall simdLoad(const double* m, SimdDoubleTag = {})
 105 {
 106     assert(std::size_t(m) % 64 == 0);
 107     return { _mm512_load_pd(m) };
 108 }
 109
 110 static inline void gmx_simdcall store(double* m, SimdDouble a)
 111 {
 112     assert(std::size_t(m) % 64 == 0);
 113     _mm512_store_pd(m, a.simdInternal_);
 114 }
 115
 116 static inline SimdDouble gmx_simdcall simdLoadU(const double* m, SimdDoubleTag = {})
 117 {
 118     return { _mm512_loadu_pd(m) };
 119 }
 120
 121 static inline void gmx_simdcall storeU(double* m, SimdDouble a)
 122 {
 123     _mm512_storeu_pd(m, a.simdInternal_);
 124 }
 125
 126 static inline SimdDouble gmx_simdcall setZeroD()
 127 {
 128     return { _mm512_setzero_pd() };
 129 }
 130
 131 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall simdLoad(const std::int32_t* m, SimdDInt32Tag)
 132 {
 133     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
 134     return { _mm256_load_si256(reinterpret_cast<const __m256i*>(m)) };
 135 }
 136
 137 static inline void gmx_simdcall store(std::int32_t* m, SimdDInt32 a)
 138 {
 139     assert(std::size_t(m) % 32 == 0);
 140     _mm256_store_si256(reinterpret_cast<__m256i*>(m), a.simdInternal_);
 141 }
 142
 143 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall simdLoadU(const std::int32_t* m, SimdDInt32Tag)
 144 {
 145     return { _mm256_loadu_si256(reinterpret_cast<const __m256i*>(m)) };
 146 }
 147
 148 static inline void gmx_simdcall storeU(std::int32_t* m, SimdDInt32 a)
 149 {
 150     _mm256_storeu_si256(reinterpret_cast<__m256i*>(m), a.simdInternal_);
 151 }
 152
 153 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall setZeroDI()
 154 {
 155     return { _mm256_setzero_si256() };
 156 }
 157
 158 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator&(SimdDouble a, SimdDouble b)
 159 {
 160     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_and_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 161                                                   _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 162 }
 163
 164 static inline SimdDouble gmx_simdcall andNot(SimdDouble a, SimdDouble b)
 165 {
 166     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_andnot_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 167                                                      _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 168 }
 169
 170 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator|(SimdDouble a, SimdDouble b)
 171 {
 172     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_or_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 173                                                  _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 174 }
 175
 176 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator^(SimdDouble a, SimdDouble b)
 177 {
 178     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_xor_epi32(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 179                                                   _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_))) };
 180 }
 181
 182 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator+(SimdDouble a, SimdDouble b)
 183 {
 184     return { _mm512_add_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 185 }
 186
 187 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator-(SimdDouble a, SimdDouble b)
 188 {
 189     return { _mm512_sub_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 190 }
 191
 192 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator-(SimdDouble x)
 193 {
 194     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_xor_epi32(_mm512_castpd_si512(x.simdInternal_),
 195                                                   _mm512_castpd_si512(_mm512_set1_pd(GMX_DOUBLE_NEGZERO)))) };
 196 }
 197
 198 static inline SimdDouble gmx_simdcall operator*(SimdDouble a, SimdDouble b)
 199 {
 200     return { _mm512_mul_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 201 }
 202
 203 static inline SimdDouble gmx_simdcall fma(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 204 {
 205     return { _mm512_fmadd_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 206 }
 207
 208 static inline SimdDouble gmx_simdcall fms(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 209 {
 210     return { _mm512_fmsub_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 211 }
 212
 213 static inline SimdDouble gmx_simdcall fnma(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 214 {
 215     return { _mm512_fnmadd_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 216 }
 217
 218 static inline SimdDouble gmx_simdcall fnms(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c)
 219 {
 220     return { _mm512_fnmsub_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 221 }
 222
 223 // Override for AVX-512-KNL
 224 #if GMX_SIMD_X86_AVX_512
 225 static inline SimdDouble gmx_simdcall rsqrt(SimdDouble x)
 226 {
 227     return { _mm512_rsqrt14_pd(x.simdInternal_) };
 228 }
 229
 230 static inline SimdDouble gmx_simdcall rcp(SimdDouble x)
 231 {
 232     return { _mm512_rcp14_pd(x.simdInternal_) };
 233 }
 234 #endif
 235
 236 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskAdd(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDBool m)
 237 {
 238     return { _mm512_mask_add_pd(a.simdInternal_, m.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 239 }
 240
 241 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzMul(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDBool m)
 242 {
 243     return { _mm512_maskz_mul_pd(m.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 244 }
 245
 246 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzFma(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDouble c, SimdDBool m)
 247 {
 248     return { _mm512_maskz_fmadd_pd(m.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_, c.simdInternal_) };
 249 }
 250
 251 // Override for AVX-512-KNL
 252 #if GMX_SIMD_X86_AVX_512
 253 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzRsqrt(SimdDouble x, SimdDBool m)
 254 {
 255     return { _mm512_maskz_rsqrt14_pd(m.simdInternal_, x.simdInternal_) };
 256 }
 257
 258 static inline SimdDouble gmx_simdcall maskzRcp(SimdDouble x, SimdDBool m)
 259 {
 260     return { _mm512_maskz_rcp14_pd(m.simdInternal_, x.simdInternal_) };
 261 }
 262 #endif
 263
 264 static inline SimdDouble gmx_simdcall abs(SimdDouble x)
 265 {
 266     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_andnot_epi32(_mm512_castpd_si512(_mm512_set1_pd(GMX_DOUBLE_NEGZERO)),
 267                                                      _mm512_castpd_si512(x.simdInternal_))) };
 268 }
 269
 270 static inline SimdDouble gmx_simdcall max(SimdDouble a, SimdDouble b)
 271 {
 272     return { _mm512_max_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 273 }
 274
 275 static inline SimdDouble gmx_simdcall min(SimdDouble a, SimdDouble b)
 276 {
 277     return { _mm512_min_pd(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 278 }
 279
 280 static inline SimdDouble gmx_simdcall round(SimdDouble x)
 281 {
 282     return { _mm512_roundscale_pd(x.simdInternal_, 0) };
 283 }
 284
 285 static inline SimdDouble gmx_simdcall trunc(SimdDouble x)
 286 {
 287 #if defined(__INTEL_COMPILER) || defined(__ECC)
 288     return { _mm512_trunc_pd(x.simdInternal_) };
 289 #else
 290     return { _mm512_cvtepi32_pd(_mm512_cvttpd_epi32(x.simdInternal_)) };
 291 #endif
 292 }
 293
 294 static inline SimdDouble frexp(SimdDouble value, SimdDInt32* exponent)
 295 {
 296     __m512d rExponent = _mm512_getexp_pd(value.simdInternal_);
 297     __m256i iExponent = _mm512_cvtpd_epi32(rExponent);
 298
 299     exponent->simdInternal_ = _mm256_add_epi32(iExponent, _mm256_set1_epi32(1));
 300
 301     return { _mm512_getmant_pd(value.simdInternal_, _MM_MANT_NORM_p5_1, _MM_MANT_SIGN_src) };
 302 }
 303
 304 template<MathOptimization opt = MathOptimization::Safe>
 305 static inline SimdDouble ldexp(SimdDouble value, SimdDInt32 exponent)
 306 {
 307     const __m256i exponentBias = _mm256_set1_epi32(1023);
 308     __m256i       iExponent    = _mm256_add_epi32(exponent.simdInternal_, exponentBias);
 309     __m512i       iExponent512;
 310
 311     if (opt == MathOptimization::Safe)
 312     {
 313         // Make sure biased argument is not negative
 314         iExponent = _mm256_max_epi32(iExponent, _mm256_setzero_si256());
 315     }
 316
 317     iExponent512 =
 318             _mm512_permutexvar_epi32(_mm512_set_epi32(7, 7, 6, 6, 5, 5, 4, 4, 3, 3, 2, 2, 1, 1, 0, 0),
 319                                      _mm512_castsi256_si512(iExponent));
 320     iExponent512 =
 321             _mm512_mask_slli_epi32(_mm512_setzero_epi32(), avx512Int2Mask(0xAAAA), iExponent512, 20);
 322     return _mm512_mul_pd(_mm512_castsi512_pd(iExponent512), value.simdInternal_);
 323 }
 324
 325 static inline double gmx_simdcall reduce(SimdDouble a)
 326 {
 327     __m512d x = a.simdInternal_;
 328     x         = _mm512_add_pd(x, _mm512_shuffle_f64x2(x, x, 0xEE));
 329     x         = _mm512_add_pd(x, _mm512_shuffle_f64x2(x, x, 0x11));
 330     x         = _mm512_add_pd(x, _mm512_permute_pd(x, 0x01));
 331     return *reinterpret_cast<double*>(&x);
 332 }
 333
 334 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator==(SimdDouble a, SimdDouble b)
 335 {
 336     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_EQ_OQ) };
 337 }
 338
 339 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator!=(SimdDouble a, SimdDouble b)
 340 {
 341     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_NEQ_OQ) };
 342 }
 343
 344 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator<(SimdDouble a, SimdDouble b)
 345 {
 346     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_LT_OQ) };
 347 }
 348
 349 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator<=(SimdDouble a, SimdDouble b)
 350 {
 351     return { _mm512_cmp_pd_mask(a.simdInternal_, b.simdInternal_, _CMP_LE_OQ) };
 352 }
 353
 354 static inline SimdDBool gmx_simdcall testBits(SimdDouble a)
 355 {
 356     return { _mm512_test_epi64_mask(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 357                                     _mm512_castpd_si512(a.simdInternal_)) };
 358 }
 359
 360 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator&&(SimdDBool a, SimdDBool b)
 361 {
 362     return { static_cast<__mmask8>(_mm512_kand(a.simdInternal_, b.simdInternal_)) };
 363 }
 364
 365 static inline SimdDBool gmx_simdcall operator||(SimdDBool a, SimdDBool b)
 366 {
 367     return { static_cast<__mmask8>(_mm512_kor(a.simdInternal_, b.simdInternal_)) };
 368 }
 369
 370 static inline bool gmx_simdcall anyTrue(SimdDBool a)
 371 {
 372     return (avx512Mask2Int(a.simdInternal_) != 0);
 373 }
 374
 375 static inline SimdDouble gmx_simdcall selectByMask(SimdDouble a, SimdDBool m)
 376 {
 377     return { _mm512_mask_mov_pd(_mm512_setzero_pd(), m.simdInternal_, a.simdInternal_) };
 378 }
 379
 380 static inline SimdDouble gmx_simdcall selectByNotMask(SimdDouble a, SimdDBool m)
 381 {
 382     return { _mm512_mask_mov_pd(a.simdInternal_, m.simdInternal_, _mm512_setzero_pd()) };
 383 }
 384
 385 static inline SimdDouble gmx_simdcall blend(SimdDouble a, SimdDouble b, SimdDBool sel)
 386 {
 387     return { _mm512_mask_blend_pd(sel.simdInternal_, a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 388 }
 389
 390 static inline SimdDouble gmx_simdcall copysign(SimdDouble a, SimdDouble b)
 391 {
 392     return { _mm512_castsi512_pd(_mm512_ternarylogic_epi64(_mm512_castpd_si512(a.simdInternal_),
 393                                                            _mm512_castpd_si512(b.simdInternal_),
 394                                                            _mm512_set1_epi64(INT64_MIN), 0xD8)) };
 395 }
 396
 397 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator&(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 398 {
 399     return { _mm256_and_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 400 }
 401
 402 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall andNot(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 403 {
 404     return { _mm256_andnot_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 405 }
 406
 407 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator|(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 408 {
 409     return { _mm256_or_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 410 }
 411
 412 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator^(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 413 {
 414     return { _mm256_xor_si256(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 415 }
 416
 417 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator+(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 418 {
 419     return { _mm256_add_epi32(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 420 }
 421
 422 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator-(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 423 {
 424     return { _mm256_sub_epi32(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 425 }
 426
 427 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall operator*(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 428 {
 429     return { _mm256_mullo_epi32(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 430 }
 431
 432 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator==(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 433 {
 434     return { _mm512_mask_cmp_epi32_mask(avx512Int2Mask(0xFF), _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 435                                         _mm512_castsi256_si512(b.simdInternal_), _MM_CMPINT_EQ) };
 436 }
 437
 438 static inline SimdDIBool gmx_simdcall testBits(SimdDInt32 a)
 439 {
 440     return { _mm512_mask_test_epi32_mask(avx512Int2Mask(0xFF), _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 441                                          _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_)) };
 442 }
 443
 444 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator<(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b)
 445 {
 446     return { _mm512_mask_cmp_epi32_mask(avx512Int2Mask(0xFF), _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 447                                         _mm512_castsi256_si512(b.simdInternal_), _MM_CMPINT_LT) };
 448 }
 449
 450 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator&&(SimdDIBool a, SimdDIBool b)
 451 {
 452     return { _mm512_kand(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 453 }
 454
 455 static inline SimdDIBool gmx_simdcall operator||(SimdDIBool a, SimdDIBool b)
 456 {
 457     return { _mm512_kor(a.simdInternal_, b.simdInternal_) };
 458 }
 459
 460 static inline bool gmx_simdcall anyTrue(SimdDIBool a)
 461 {
 462     return (avx512Mask2Int(a.simdInternal_) & 0xFF) != 0;
 463 }
 464
 465 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall selectByMask(SimdDInt32 a, SimdDIBool m)
 466 {
 467     return { _mm512_castsi512_si256(_mm512_mask_mov_epi32(
 468             _mm512_setzero_si512(), m.simdInternal_, _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_))) };
 469 }
 470
 471 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall selectByNotMask(SimdDInt32 a, SimdDIBool m)
 472 {
 473     return { _mm512_castsi512_si256(_mm512_mask_mov_epi32(
 474             _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_), m.simdInternal_, _mm512_setzero_si512())) };
 475 }
 476
 477 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall blend(SimdDInt32 a, SimdDInt32 b, SimdDIBool sel)
 478 {
 479     return { _mm512_castsi512_si256(
 480             _mm512_mask_blend_epi32(sel.simdInternal_, _mm512_castsi256_si512(a.simdInternal_),
 481                                     _mm512_castsi256_si512(b.simdInternal_))) };
 482 }
 483
 484 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall cvtR2I(SimdDouble a)
 485 {
 486     return { _mm512_cvtpd_epi32(a.simdInternal_) };
 487 }
 488
 489 static inline SimdDInt32 gmx_simdcall cvttR2I(SimdDouble a)
 490 {
 491     return { _mm512_cvttpd_epi32(a.simdInternal_) };
 492 }
 493
 494 static inline SimdDouble gmx_simdcall cvtI2R(SimdDInt32 a)
 495 {
 496     return { _mm512_cvtepi32_pd(a.simdInternal_) };
 497 }
 498
 499 static inline SimdDIBool gmx_simdcall cvtB2IB(SimdDBool a)
 500 {
 501     return { a.simdInternal_ };
 502 }
 503
 504 static inline SimdDBool gmx_simdcall cvtIB2B(SimdDIBool a)
 505 {
 506     return { static_cast<__mmask8>(a.simdInternal_) };
 507 }
 508
 509 static inline void gmx_simdcall cvtF2DD(SimdFloat f, SimdDouble* d0, SimdDouble* d1)
 510 {
 511     d0->simdInternal_ = _mm512_cvtps_pd(_mm512_castps512_ps256(f.simdInternal_));
 512     d1->simdInternal_ = _mm512_cvtps_pd(
 513             _mm512_castps512_ps256(_mm512_shuffle_f32x4(f.simdInternal_, f.simdInternal_, 0xEE)));
 514 }
 515
 516 static inline SimdFloat gmx_simdcall cvtDD2F(SimdDouble d0, SimdDouble d1)
 517 {
 518     __m512 f0 = _mm512_castps256_ps512(_mm512_cvtpd_ps(d0.simdInternal_));
 519     __m512 f1 = _mm512_castps256_ps512(_mm512_cvtpd_ps(d1.simdInternal_));
 520     return { _mm512_shuffle_f32x4(f0, f1, 0x44) };
 521 }
 522
 523 } // namespace gmx
 524
 525 #endif // GMX_SIMD_IMPL_X86_AVX_512_SIMD_DOUBLE_H