src/mdlib/nbnxn_kernels/nbnxn_kernel_simd_utils_x86_128d.h

   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) 2001-2012, The GROMACS Development Team
   6  * Copyright (c) 2012,2013, by the GROMACS development team, led by
   7  * David van der Spoel, Berk Hess, Erik Lindahl, and including many
   8  * others, as listed in the AUTHORS file in the top-level source
   9  * 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 #ifndef _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_128d_h_
  38 #define _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_128d_h_
  39
  40 /* This files contains all functions/macros for the SIMD kernels
  41  * which have explicit dependencies on the j-cluster size and/or SIMD-width.
  42  * The functionality which depends on the j-cluster size is:
  43  *   LJ-parameter lookup
  44  *   force table lookup
  45  *   energy group pair energy storage
  46  */
  47
  48 /* Transpose 2 double precision registers */
  49 static gmx_inline void
  50 gmx_mm_transpose2_op_pd(__m128d in0, __m128d in1,
  51                         __m128d *out0, __m128d *out1)
  52 {
  53     *out0 = _mm_unpacklo_pd(in0, in1);
  54     *out1 = _mm_unpackhi_pd(in0, in1);
  55 }
  56
  57 /* Sum the elements within each input register and store the sums in out */
  58 static gmx_inline __m128d
  59 gmx_mm_transpose_sum2_pr(__m128d in0, __m128d in1)
  60 {
  61     __m128d tr0, tr1;
  62
  63     gmx_mm_transpose2_op_pd(in0, in1, &tr0, &tr1);
  64
  65     return _mm_add_pd(tr0, tr1);
  66 }
  67
  68 static inline __m128
  69 gmx_mm128_invsqrt_ps_single(__m128 x)
  70 {
  71     const __m128 half  = _mm_set_ps(0.5, 0.5, 0.5, 0.5);
  72     const __m128 three = _mm_set_ps(3.0, 3.0, 3.0, 3.0);
  73
  74     __m128       lu = _mm_rsqrt_ps(x);
  75
  76     return _mm_mul_ps(half, _mm_mul_ps(_mm_sub_ps(three, _mm_mul_ps(_mm_mul_ps(lu, lu), x)), lu));
  77 }
  78
  79 /* Do 2 double precision invsqrt operations.
  80  * Doing the SIMD rsqrt and the first Newton Raphson iteration
  81  * in single precision gives full double precision accuracy.
  82  */
  83 static gmx_inline void
  84 gmx_mm_invsqrt2_pd(__m128d in0, __m128d in1,
  85                    __m128d *out0, __m128d *out1)
  86 {
  87     const __m128d half  = _mm_set1_pd(0.5);
  88     const __m128d three = _mm_set1_pd(3.0);
  89     __m128        s, ir;
  90     __m128d       lu0, lu1;
  91
  92     s     = _mm_movelh_ps(_mm_cvtpd_ps(in0), _mm_cvtpd_ps(in1));
  93     ir    = gmx_mm128_invsqrt_ps_single(s);
  94     lu0   = _mm_cvtps_pd(ir);
  95     lu1   = _mm_cvtps_pd(_mm_movehl_ps(ir, ir));
  96     *out0 = _mm_mul_pd(half, _mm_mul_pd(_mm_sub_pd(three, _mm_mul_pd(_mm_mul_pd(lu0, lu0), in0)), lu0));
  97     *out1 = _mm_mul_pd(half, _mm_mul_pd(_mm_sub_pd(three, _mm_mul_pd(_mm_mul_pd(lu1, lu1), in1)), lu1));
  98 }
  99
 100 static gmx_inline void
 101 load_lj_pair_params(const real *nbfp, const int *type, int aj,
 102                     __m128d *c6_S, __m128d *c12_S)
 103 {
 104     __m128d clj_S[UNROLLJ];
 105     int     p;
 106
 107     for (p = 0; p < UNROLLJ; p++)
 108     {
 109         clj_S[p] = _mm_load_pd(nbfp+type[aj+p]*NBFP_STRIDE);
 110     }
 111     gmx_mm_transpose2_op_pd(clj_S[0], clj_S[1], c6_S, c12_S);
 112 }
 113
 114 /* The load_table functions below are performance critical.
 115  * The routines issue UNROLLI*UNROLLJ _mm_load_ps calls.
 116  * As these all have latencies, scheduling is crucial.
 117  * The Intel compilers and CPUs seem to do a good job at this.
 118  * But AMD CPUs perform significantly worse with gcc than with icc.
 119  * Performance is improved a bit by using the extract function UNROLLJ times,
 120  * instead of doing an _mm_store_si128 for every i-particle.
 121  * This is only faster when we use FDV0 formatted tables, where we also need
 122  * to multiple the index by 4, which can be done by a SIMD bit shift.
 123  * With single precision AVX, 8 extracts are much slower than 1 store.
 124  * Because of this, the load_table_f macro always takes the ti parameter,
 125  * but it is only used with AVX.
 126  */
 127
 128 static gmx_inline void
 129 load_table_f(const real *tab_coul_F, gmx_epi32 ti_S, int *ti,
 130              __m128d *ctab0_S, __m128d *ctab1_S)
 131 {
 132     int     idx[2];
 133     __m128d ctab_S[2];
 134
 135     /* Without SSE4.1 the extract macro needs an immediate: unroll */
 136     idx[0]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 0);
 137     ctab_S[0] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[0]);
 138     idx[1]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 1);
 139     ctab_S[1] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[1]);
 140
 141     /* Shuffle the force table entries to a convenient order */
 142     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[0], ctab_S[1], ctab0_S, ctab1_S);
 143     /* The second force table entry should contain the difference */
 144     *ctab1_S = _mm_sub_pd(*ctab1_S, *ctab0_S);
 145 }
 146
 147 static gmx_inline void
 148 load_table_f_v(const real *tab_coul_F, const real *tab_coul_V,
 149                gmx_epi32 ti_S, int *ti,
 150                __m128d *ctab0_S, __m128d *ctab1_S, __m128d *ctabv_S)
 151 {
 152     int     idx[2];
 153     __m128d ctab_S[4];
 154
 155     /* Without SSE4.1 the extract macro needs an immediate: unroll */
 156     idx[0]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 0);
 157     ctab_S[0] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[0]);
 158     idx[1]    = gmx_mm_extract_epi32(ti_S, 1);
 159     ctab_S[1] = _mm_loadu_pd(tab_coul_F+idx[1]);
 160
 161     /* Shuffle the force table entries to a convenient order */
 162     gmx_mm_transpose2_op_pd(ctab_S[0], ctab_S[1], ctab0_S, ctab1_S);
 163     /* The second force table entry should contain the difference */
 164     *ctab1_S = _mm_sub_pd(*ctab1_S, *ctab0_S);
 165
 166     ctab_S[2] = _mm_loadu_pd(tab_coul_V+idx[0]);
 167     ctab_S[3] = _mm_loadu_pd(tab_coul_V+idx[1]);
 168
 169     /* Shuffle the energy table entries to a single register */
 170     *ctabv_S = _mm_shuffle_pd(ctab_S[2], ctab_S[3], _MM_SHUFFLE2(0, 0));
 171 }
 172
 173 #endif /* _nbnxn_kernel_simd_utils_x86_s128d_h_ */