src/gromacs/gmxlib/bondfree.c

   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, 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 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  38 #include <config.h>
  39 #endif
  40
  41 #include <math.h>
  42 #include <assert.h>
  43 #include "physics.h"
  44 #include "vec.h"
  45 #include "gromacs/math/utilities.h"
  46 #include "txtdump.h"
  47 #include "bondf.h"
  48 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  49 #include "pbc.h"
  50 #include "ns.h"
  51 #include "macros.h"
  52 #include "names.h"
  53 #include "gmx_fatal.h"
  54 #include "mshift.h"
  55 #include "main.h"
  56 #include "disre.h"
  57 #include "orires.h"
  58 #include "force.h"
  59 #include "nonbonded.h"
  60 #include "restcbt.h"
  61
  62 #include "gromacs/simd/simd.h"
  63 #include "gromacs/simd/simd_math.h"
  64 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  65
  66 /* Find a better place for this? */
  67 const int cmap_coeff_matrix[] = {
  68     1, 0, -3,  2, 0, 0,  0,  0, -3,  0,  9, -6,  2,  0, -6,  4,
  69     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  3,  0, -9,  6, -2,  0,  6, -4,
  70     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  9, -6,  0,  0, -6,  4,
  71     0, 0,  3, -2, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -9,  6,  0,  0,  6, -4,
  72     0, 0,  0,  0, 1, 0, -3,  2, -2,  0,  6, -4,  1,  0, -3,  2,
  73     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0, -1,  0,  3, -2,  1,  0, -3,  2,
  74     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  2,  0,  0,  3, -2,
  75     0, 0,  0,  0, 0, 0,  3, -2,  0,  0, -6,  4,  0,  0,  3, -2,
  76     0, 1, -2,  1, 0, 0,  0,  0,  0, -3,  6, -3,  0,  2, -4,  2,
  77     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  3, -6,  3,  0, -2,  4, -2,
  78     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  3,  0,  0,  2, -2,
  79     0, 0, -1,  1, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  3, -3,  0,  0, -2,  2,
  80     0, 0,  0,  0, 0, 1, -2,  1,  0, -2,  4, -2,  0,  1, -2,  1,
  81     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0, -1,  2, -1,  0,  1, -2,  1,
  82     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  1, -1,  0,  0, -1,  1,
  83     0, 0,  0,  0, 0, 0, -1,  1,  0,  0,  2, -2,  0,  0, -1,  1
  84 };
  85
  86
  87
  88 int glatnr(int *global_atom_index, int i)
  89 {
  90     int atnr;
  91
  92     if (global_atom_index == NULL)
  93     {
  94         atnr = i + 1;
  95     }
  96     else
  97     {
  98         atnr = global_atom_index[i] + 1;
  99     }
 100
 101     return atnr;
 102 }
 103
 104 static int pbc_rvec_sub(const t_pbc *pbc, const rvec xi, const rvec xj, rvec dx)
 105 {
 106     if (pbc)
 107     {
 108         return pbc_dx_aiuc(pbc, xi, xj, dx);
 109     }
 110     else
 111     {
 112         rvec_sub(xi, xj, dx);
 113         return CENTRAL;
 114     }
 115 }
 116
 117 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
 118
 119 /* SIMD PBC data structure, containing 1/boxdiag and the box vectors */
 120 typedef struct {
 121     gmx_simd_real_t inv_bzz;
 122     gmx_simd_real_t inv_byy;
 123     gmx_simd_real_t inv_bxx;
 124     gmx_simd_real_t bzx;
 125     gmx_simd_real_t bzy;
 126     gmx_simd_real_t bzz;
 127     gmx_simd_real_t byx;
 128     gmx_simd_real_t byy;
 129     gmx_simd_real_t bxx;
 130 } pbc_simd_t;
 131
 132 /* Set the SIMD pbc data from a normal t_pbc struct */
 133 static void set_pbc_simd(const t_pbc *pbc, pbc_simd_t *pbc_simd)
 134 {
 135     rvec inv_bdiag;
 136     int  d;
 137
 138     /* Setting inv_bdiag to 0 effectively turns off PBC */
 139     clear_rvec(inv_bdiag);
 140     if (pbc != NULL)
 141     {
 142         for (d = 0; d < pbc->ndim_ePBC; d++)
 143         {
 144             inv_bdiag[d] = 1.0/pbc->box[d][d];
 145         }
 146     }
 147
 148     pbc_simd->inv_bzz = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[ZZ]);
 149     pbc_simd->inv_byy = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[YY]);
 150     pbc_simd->inv_bxx = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[XX]);
 151
 152     if (pbc != NULL)
 153     {
 154         pbc_simd->bzx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][XX]);
 155         pbc_simd->bzy = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][YY]);
 156         pbc_simd->bzz = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][ZZ]);
 157         pbc_simd->byx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[YY][XX]);
 158         pbc_simd->byy = gmx_simd_set1_r(pbc->box[YY][YY]);
 159         pbc_simd->bxx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[XX][XX]);
 160     }
 161     else
 162     {
 163         pbc_simd->bzx = gmx_simd_setzero_r();
 164         pbc_simd->bzy = gmx_simd_setzero_r();
 165         pbc_simd->bzz = gmx_simd_setzero_r();
 166         pbc_simd->byx = gmx_simd_setzero_r();
 167         pbc_simd->byy = gmx_simd_setzero_r();
 168         pbc_simd->bxx = gmx_simd_setzero_r();
 169     }
 170 }
 171
 172 /* Correct distance vector *dx,*dy,*dz for PBC using SIMD */
 173 static gmx_inline void
 174 pbc_dx_simd(gmx_simd_real_t *dx, gmx_simd_real_t *dy, gmx_simd_real_t *dz,
 175             const pbc_simd_t *pbc)
 176 {
 177     gmx_simd_real_t sh;
 178
 179     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dz, pbc->inv_bzz));
 180     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzx, *dx);
 181     *dy = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzy, *dy);
 182     *dz = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzz, *dz);
 183
 184     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dy, pbc->inv_byy));
 185     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->byx, *dx);
 186     *dy = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->byy, *dy);
 187
 188     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dx, pbc->inv_bxx));
 189     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bxx, *dx);
 190 }
 191
 192 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
 193
 194 /*
 195  * Morse potential bond by Frank Everdij
 196  *
 197  * Three parameters needed:
 198  *
 199  * b0 = equilibrium distance in nm
 200  * be = beta in nm^-1 (actually, it's nu_e*Sqrt(2*pi*pi*mu/D_e))
 201  * cb = well depth in kJ/mol
 202  *
 203  * Note: the potential is referenced to be +cb at infinite separation
 204  *       and zero at the equilibrium distance!
 205  */
 206
 207 real morse_bonds(int nbonds,
 208                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 209                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 210                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 211                  real lambda, real *dvdlambda,
 212                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 213                  int gmx_unused *global_atom_index)
 214 {
 215     const real one = 1.0;
 216     const real two = 2.0;
 217     real       dr, dr2, temp, omtemp, cbomtemp, fbond, vbond, fij, vtot;
 218     real       b0, be, cb, b0A, beA, cbA, b0B, beB, cbB, L1;
 219     rvec       dx;
 220     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 221     ivec       dt;
 222
 223     vtot = 0.0;
 224     for (i = 0; (i < nbonds); )
 225     {
 226         type = forceatoms[i++];
 227         ai   = forceatoms[i++];
 228         aj   = forceatoms[i++];
 229
 230         b0A   = forceparams[type].morse.b0A;
 231         beA   = forceparams[type].morse.betaA;
 232         cbA   = forceparams[type].morse.cbA;
 233
 234         b0B   = forceparams[type].morse.b0B;
 235         beB   = forceparams[type].morse.betaB;
 236         cbB   = forceparams[type].morse.cbB;
 237
 238         L1 = one-lambda;                            /* 1 */
 239         b0 = L1*b0A + lambda*b0B;                   /* 3 */
 240         be = L1*beA + lambda*beB;                   /* 3 */
 241         cb = L1*cbA + lambda*cbB;                   /* 3 */
 242
 243         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3          */
 244         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5          */
 245         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10          */
 246         temp = exp(-be*(dr-b0));                    /*  12          */
 247
 248         if (temp == one)
 249         {
 250             /* bonds are constrainted. This may _not_ include bond constraints if they are lambda dependent */
 251             *dvdlambda += cbB-cbA;
 252             continue;
 253         }
 254
 255         omtemp    = one-temp;                                                                                        /*   1          */
 256         cbomtemp  = cb*omtemp;                                                                                       /*   1          */
 257         vbond     = cbomtemp*omtemp;                                                                                 /*   1          */
 258         fbond     = -two*be*temp*cbomtemp*gmx_invsqrt(dr2);                                                          /*   9          */
 259         vtot     += vbond;                                                                                           /*   1          */
 260
 261         *dvdlambda += (cbB - cbA) * omtemp * omtemp - (2-2*omtemp)*omtemp * cb * ((b0B-b0A)*be - (beB-beA)*(dr-b0)); /* 15 */
 262
 263         if (g)
 264         {
 265             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 266             ki = IVEC2IS(dt);
 267         }
 268
 269         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 270         {
 271             fij                 = fbond*dx[m];
 272             f[ai][m]           += fij;
 273             f[aj][m]           -= fij;
 274             fshift[ki][m]      += fij;
 275             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 276         }
 277     }                                         /*  83 TOTAL    */
 278     return vtot;
 279 }
 280
 281 real cubic_bonds(int nbonds,
 282                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 283                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 284                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 285                  real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 286                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 287                  int gmx_unused *global_atom_index)
 288 {
 289     const real three = 3.0;
 290     const real two   = 2.0;
 291     real       kb, b0, kcub;
 292     real       dr, dr2, dist, kdist, kdist2, fbond, vbond, fij, vtot;
 293     rvec       dx;
 294     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 295     ivec       dt;
 296
 297     vtot = 0.0;
 298     for (i = 0; (i < nbonds); )
 299     {
 300         type = forceatoms[i++];
 301         ai   = forceatoms[i++];
 302         aj   = forceatoms[i++];
 303
 304         b0   = forceparams[type].cubic.b0;
 305         kb   = forceparams[type].cubic.kb;
 306         kcub = forceparams[type].cubic.kcub;
 307
 308         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 309         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 310
 311         if (dr2 == 0.0)
 312         {
 313             continue;
 314         }
 315
 316         dr         = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                  /*  10          */
 317         dist       = dr-b0;
 318         kdist      = kb*dist;
 319         kdist2     = kdist*dist;
 320
 321         vbond      = kdist2 + kcub*kdist2*dist;
 322         fbond      = -(two*kdist + three*kdist2*kcub)/dr;
 323
 324         vtot      += vbond;   /* 21 */
 325
 326         if (g)
 327         {
 328             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 329             ki = IVEC2IS(dt);
 330         }
 331         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 332         {
 333             fij                 = fbond*dx[m];
 334             f[ai][m]           += fij;
 335             f[aj][m]           -= fij;
 336             fshift[ki][m]      += fij;
 337             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 338         }
 339     }                                         /*  54 TOTAL    */
 340     return vtot;
 341 }
 342
 343 real FENE_bonds(int nbonds,
 344                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 345                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 346                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 347                 real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 348                 const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 349                 int *global_atom_index)
 350 {
 351     const real half = 0.5;
 352     const real one  = 1.0;
 353     real       bm, kb;
 354     real       dr, dr2, bm2, omdr2obm2, fbond, vbond, fij, vtot;
 355     rvec       dx;
 356     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 357     ivec       dt;
 358
 359     vtot = 0.0;
 360     for (i = 0; (i < nbonds); )
 361     {
 362         type = forceatoms[i++];
 363         ai   = forceatoms[i++];
 364         aj   = forceatoms[i++];
 365
 366         bm   = forceparams[type].fene.bm;
 367         kb   = forceparams[type].fene.kb;
 368
 369         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);     /*   3          */
 370         dr2  = iprod(dx, dx);                           /*   5          */
 371
 372         if (dr2 == 0.0)
 373         {
 374             continue;
 375         }
 376
 377         bm2 = bm*bm;
 378
 379         if (dr2 >= bm2)
 380         {
 381             gmx_fatal(FARGS,
 382                       "r^2 (%f) >= bm^2 (%f) in FENE bond between atoms %d and %d",
 383                       dr2, bm2,
 384                       glatnr(global_atom_index, ai),
 385                       glatnr(global_atom_index, aj));
 386         }
 387
 388         omdr2obm2  = one - dr2/bm2;
 389
 390         vbond      = -half*kb*bm2*log(omdr2obm2);
 391         fbond      = -kb/omdr2obm2;
 392
 393         vtot      += vbond;   /* 35 */
 394
 395         if (g)
 396         {
 397             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 398             ki = IVEC2IS(dt);
 399         }
 400         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 401         {
 402             fij                 = fbond*dx[m];
 403             f[ai][m]           += fij;
 404             f[aj][m]           -= fij;
 405             fshift[ki][m]      += fij;
 406             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 407         }
 408     }                                         /*  58 TOTAL    */
 409     return vtot;
 410 }
 411
 412 real harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
 413               real *V, real *F)
 414 {
 415     const real half = 0.5;
 416     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
 417     real       v, f, dvdlambda;
 418
 419     L1    = 1.0-lambda;
 420     kk    = L1*kA+lambda*kB;
 421     x0    = L1*xA+lambda*xB;
 422
 423     dx    = x-x0;
 424     dx2   = dx*dx;
 425
 426     f          = -kk*dx;
 427     v          = half*kk*dx2;
 428     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
 429
 430     *F    = f;
 431     *V    = v;
 432
 433     return dvdlambda;
 434
 435     /* That was 19 flops */
 436 }
 437
 438
 439 real bonds(int nbonds,
 440            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 441            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 442            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 443            real lambda, real *dvdlambda,
 444            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 445            int gmx_unused *global_atom_index)
 446 {
 447     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 448     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 449     rvec dx;
 450     ivec dt;
 451
 452     vtot = 0.0;
 453     for (i = 0; (i < nbonds); )
 454     {
 455         type = forceatoms[i++];
 456         ai   = forceatoms[i++];
 457         aj   = forceatoms[i++];
 458
 459         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 460         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 461         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 462
 463         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 464                                forceparams[type].harmonic.krB,
 465                                forceparams[type].harmonic.rA,
 466                                forceparams[type].harmonic.rB,
 467                                dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 468
 469         if (dr2 == 0.0)
 470         {
 471             continue;
 472         }
 473
 474
 475         vtot  += vbond;            /* 1*/
 476         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 477 #ifdef DEBUG
 478         if (debug)
 479         {
 480             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 481                     dr, vbond, fbond);
 482         }
 483 #endif
 484         if (g)
 485         {
 486             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 487             ki = IVEC2IS(dt);
 488         }
 489         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 490         {
 491             fij                 = fbond*dx[m];
 492             f[ai][m]           += fij;
 493             f[aj][m]           -= fij;
 494             fshift[ki][m]      += fij;
 495             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 496         }
 497     }               /* 59 TOTAL */
 498     return vtot;
 499 }
 500
 501 real restraint_bonds(int nbonds,
 502                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 503                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 504                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 505                      real lambda, real *dvdlambda,
 506                      const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 507                      int gmx_unused *global_atom_index)
 508 {
 509     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 510     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
 511     real L1;
 512     real low, dlow, up1, dup1, up2, dup2, k, dk;
 513     real drh, drh2;
 514     rvec dx;
 515     ivec dt;
 516
 517     L1   = 1.0 - lambda;
 518
 519     vtot = 0.0;
 520     for (i = 0; (i < nbonds); )
 521     {
 522         type = forceatoms[i++];
 523         ai   = forceatoms[i++];
 524         aj   = forceatoms[i++];
 525
 526         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
 527         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
 528         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
 529
 530         low  = L1*forceparams[type].restraint.lowA + lambda*forceparams[type].restraint.lowB;
 531         dlow =   -forceparams[type].restraint.lowA +        forceparams[type].restraint.lowB;
 532         up1  = L1*forceparams[type].restraint.up1A + lambda*forceparams[type].restraint.up1B;
 533         dup1 =   -forceparams[type].restraint.up1A +        forceparams[type].restraint.up1B;
 534         up2  = L1*forceparams[type].restraint.up2A + lambda*forceparams[type].restraint.up2B;
 535         dup2 =   -forceparams[type].restraint.up2A +        forceparams[type].restraint.up2B;
 536         k    = L1*forceparams[type].restraint.kA   + lambda*forceparams[type].restraint.kB;
 537         dk   =   -forceparams[type].restraint.kA   +        forceparams[type].restraint.kB;
 538         /* 24 */
 539
 540         if (dr < low)
 541         {
 542             drh         = dr - low;
 543             drh2        = drh*drh;
 544             vbond       = 0.5*k*drh2;
 545             fbond       = -k*drh;
 546             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dlow*drh;
 547         } /* 11 */
 548         else if (dr <= up1)
 549         {
 550             vbond = 0;
 551             fbond = 0;
 552         }
 553         else if (dr <= up2)
 554         {
 555             drh         = dr - up1;
 556             drh2        = drh*drh;
 557             vbond       = 0.5*k*drh2;
 558             fbond       = -k*drh;
 559             *dvdlambda += 0.5*dk*drh2 - k*dup1*drh;
 560         } /* 11 */
 561         else
 562         {
 563             drh         = dr - up2;
 564             vbond       = k*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh);
 565             fbond       = -k*(up2 - up1);
 566             *dvdlambda += dk*(up2 - up1)*(0.5*(up2 - up1) + drh)
 567                 + k*(dup2 - dup1)*(up2 - up1 + drh)
 568                 - k*(up2 - up1)*dup2;
 569         }
 570
 571         if (dr2 == 0.0)
 572         {
 573             continue;
 574         }
 575
 576         vtot  += vbond;            /* 1*/
 577         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 578 #ifdef DEBUG
 579         if (debug)
 580         {
 581             fprintf(debug, "BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
 582                     dr, vbond, fbond);
 583         }
 584 #endif
 585         if (g)
 586         {
 587             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 588             ki = IVEC2IS(dt);
 589         }
 590         for (m = 0; (m < DIM); m++)             /*  15          */
 591         {
 592             fij                 = fbond*dx[m];
 593             f[ai][m]           += fij;
 594             f[aj][m]           -= fij;
 595             fshift[ki][m]      += fij;
 596             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 597         }
 598     }                   /* 59 TOTAL     */
 599
 600     return vtot;
 601 }
 602
 603 real polarize(int nbonds,
 604               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 605               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 606               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 607               real lambda, real *dvdlambda,
 608               const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 609               int gmx_unused *global_atom_index)
 610 {
 611     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 612     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh;
 613     rvec dx;
 614     ivec dt;
 615
 616     vtot = 0.0;
 617     for (i = 0; (i < nbonds); )
 618     {
 619         type = forceatoms[i++];
 620         ai   = forceatoms[i++];
 621         aj   = forceatoms[i++];
 622         ksh  = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].polarize.alpha;
 623         if (debug)
 624         {
 625             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 626         }
 627
 628         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 629         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 630         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 631
 632         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 633
 634         if (dr2 == 0.0)
 635         {
 636             continue;
 637         }
 638
 639         vtot  += vbond;            /* 1*/
 640         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 641
 642         if (g)
 643         {
 644             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 645             ki = IVEC2IS(dt);
 646         }
 647         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 648         {
 649             fij                 = fbond*dx[m];
 650             f[ai][m]           += fij;
 651             f[aj][m]           -= fij;
 652             fshift[ki][m]      += fij;
 653             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 654         }
 655     }               /* 59 TOTAL */
 656     return vtot;
 657 }
 658
 659 real anharm_polarize(int nbonds,
 660                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 661                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 662                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 663                      real lambda, real *dvdlambda,
 664                      const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 665                      int gmx_unused *global_atom_index)
 666 {
 667     int  i, m, ki, ai, aj, type;
 668     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot, ksh, khyp, drcut, ddr, ddr3;
 669     rvec dx;
 670     ivec dt;
 671
 672     vtot = 0.0;
 673     for (i = 0; (i < nbonds); )
 674     {
 675         type  = forceatoms[i++];
 676         ai    = forceatoms[i++];
 677         aj    = forceatoms[i++];
 678         ksh   = sqr(md->chargeA[aj])*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type].anharm_polarize.alpha; /* 7*/
 679         khyp  = forceparams[type].anharm_polarize.khyp;
 680         drcut = forceparams[type].anharm_polarize.drcut;
 681         if (debug)
 682         {
 683             fprintf(debug, "POL: local ai = %d aj = %d ksh = %.3f\n", ai, aj, ksh);
 684         }
 685
 686         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx);                         /*   3      */
 687         dr2  = iprod(dx, dx);                                               /*   5              */
 688         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                        /*  10              */
 689
 690         *dvdlambda += harmonic(ksh, ksh, 0, 0, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
 691
 692         if (dr2 == 0.0)
 693         {
 694             continue;
 695         }
 696
 697         if (dr > drcut)
 698         {
 699             ddr    = dr-drcut;
 700             ddr3   = ddr*ddr*ddr;
 701             vbond += khyp*ddr*ddr3;
 702             fbond -= 4*khyp*ddr3;
 703         }
 704         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
 705         vtot  += vbond;            /* 1*/
 706
 707         if (g)
 708         {
 709             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 710             ki = IVEC2IS(dt);
 711         }
 712         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
 713         {
 714             fij                 = fbond*dx[m];
 715             f[ai][m]           += fij;
 716             f[aj][m]           -= fij;
 717             fshift[ki][m]      += fij;
 718             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 719         }
 720     }               /* 72 TOTAL */
 721     return vtot;
 722 }
 723
 724 real water_pol(int nbonds,
 725                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 726                const rvec x[], rvec f[], rvec gmx_unused fshift[],
 727                const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
 728                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 729                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 730                int gmx_unused *global_atom_index)
 731 {
 732     /* This routine implements anisotropic polarizibility for water, through
 733      * a shell connected to a dummy with spring constant that differ in the
 734      * three spatial dimensions in the molecular frame.
 735      */
 736     int  i, m, aO, aH1, aH2, aD, aS, type, type0, ki;
 737     ivec dt;
 738     rvec dOH1, dOH2, dHH, dOD, dDS, nW, kk, dx, kdx, proj;
 739 #ifdef DEBUG
 740     rvec df;
 741 #endif
 742     real vtot, fij, r_HH, r_OD, r_nW, tx, ty, tz, qS;
 743
 744     vtot = 0.0;
 745     if (nbonds > 0)
 746     {
 747         type0  = forceatoms[0];
 748         aS     = forceatoms[5];
 749         qS     = md->chargeA[aS];
 750         kk[XX] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_x;
 751         kk[YY] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_y;
 752         kk[ZZ] = sqr(qS)*ONE_4PI_EPS0/forceparams[type0].wpol.al_z;
 753         r_HH   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rHH;
 754         r_OD   = 1.0/forceparams[type0].wpol.rOD;
 755         if (debug)
 756         {
 757             fprintf(debug, "WPOL: qS  = %10.5f aS = %5d\n", qS, aS);
 758             fprintf(debug, "WPOL: kk  = %10.3f        %10.3f        %10.3f\n",
 759                     kk[XX], kk[YY], kk[ZZ]);
 760             fprintf(debug, "WPOL: rOH = %10.3f  rHH = %10.3f  rOD = %10.3f\n",
 761                     forceparams[type0].wpol.rOH,
 762                     forceparams[type0].wpol.rHH,
 763                     forceparams[type0].wpol.rOD);
 764         }
 765         for (i = 0; (i < nbonds); i += 6)
 766         {
 767             type = forceatoms[i];
 768             if (type != type0)
 769             {
 770                 gmx_fatal(FARGS, "Sorry, type = %d, type0 = %d, file = %s, line = %d",
 771                           type, type0, __FILE__, __LINE__);
 772             }
 773             aO   = forceatoms[i+1];
 774             aH1  = forceatoms[i+2];
 775             aH2  = forceatoms[i+3];
 776             aD   = forceatoms[i+4];
 777             aS   = forceatoms[i+5];
 778
 779             /* Compute vectors describing the water frame */
 780             pbc_rvec_sub(pbc, x[aH1], x[aO], dOH1);
 781             pbc_rvec_sub(pbc, x[aH2], x[aO], dOH2);
 782             pbc_rvec_sub(pbc, x[aH2], x[aH1], dHH);
 783             pbc_rvec_sub(pbc, x[aD], x[aO], dOD);
 784             ki = pbc_rvec_sub(pbc, x[aS], x[aD], dDS);
 785             cprod(dOH1, dOH2, nW);
 786
 787             /* Compute inverse length of normal vector
 788              * (this one could be precomputed, but I'm too lazy now)
 789              */
 790             r_nW = gmx_invsqrt(iprod(nW, nW));
 791             /* This is for precision, but does not make a big difference,
 792              * it can go later.
 793              */
 794             r_OD = gmx_invsqrt(iprod(dOD, dOD));
 795
 796             /* Normalize the vectors in the water frame */
 797             svmul(r_nW, nW, nW);
 798             svmul(r_HH, dHH, dHH);
 799             svmul(r_OD, dOD, dOD);
 800
 801             /* Compute displacement of shell along components of the vector */
 802             dx[ZZ] = iprod(dDS, dOD);
 803             /* Compute projection on the XY plane: dDS - dx[ZZ]*dOD */
 804             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 805             {
 806                 proj[m] = dDS[m]-dx[ZZ]*dOD[m];
 807             }
 808
 809             /*dx[XX] = iprod(dDS,nW);
 810                dx[YY] = iprod(dDS,dHH);*/
 811             dx[XX] = iprod(proj, nW);
 812             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 813             {
 814                 proj[m] -= dx[XX]*nW[m];
 815             }
 816             dx[YY] = iprod(proj, dHH);
 817             /*#define DEBUG*/
 818 #ifdef DEBUG
 819             if (debug)
 820             {
 821                 fprintf(debug, "WPOL: dx2=%10g  dy2=%10g  dz2=%10g  sum=%10g  dDS^2=%10g\n",
 822                         sqr(dx[XX]), sqr(dx[YY]), sqr(dx[ZZ]), iprod(dx, dx), iprod(dDS, dDS));
 823                 fprintf(debug, "WPOL: dHH=(%10g,%10g,%10g)\n", dHH[XX], dHH[YY], dHH[ZZ]);
 824                 fprintf(debug, "WPOL: dOD=(%10g,%10g,%10g), 1/r_OD = %10g\n",
 825                         dOD[XX], dOD[YY], dOD[ZZ], 1/r_OD);
 826                 fprintf(debug, "WPOL: nW =(%10g,%10g,%10g), 1/r_nW = %10g\n",
 827                         nW[XX], nW[YY], nW[ZZ], 1/r_nW);
 828                 fprintf(debug, "WPOL: dx  =%10g, dy  =%10g, dz  =%10g\n",
 829                         dx[XX], dx[YY], dx[ZZ]);
 830                 fprintf(debug, "WPOL: dDSx=%10g, dDSy=%10g, dDSz=%10g\n",
 831                         dDS[XX], dDS[YY], dDS[ZZ]);
 832             }
 833 #endif
 834             /* Now compute the forces and energy */
 835             kdx[XX] = kk[XX]*dx[XX];
 836             kdx[YY] = kk[YY]*dx[YY];
 837             kdx[ZZ] = kk[ZZ]*dx[ZZ];
 838             vtot   += iprod(dx, kdx);
 839
 840             if (g)
 841             {
 842                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, aS), SHIFT_IVEC(g, aD), dt);
 843                 ki = IVEC2IS(dt);
 844             }
 845
 846             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 847             {
 848                 /* This is a tensor operation but written out for speed */
 849                 tx        =  nW[m]*kdx[XX];
 850                 ty        = dHH[m]*kdx[YY];
 851                 tz        = dOD[m]*kdx[ZZ];
 852                 fij       = -tx-ty-tz;
 853 #ifdef DEBUG
 854                 df[m] = fij;
 855 #endif
 856                 f[aS][m]           += fij;
 857                 f[aD][m]           -= fij;
 858                 fshift[ki][m]      += fij;
 859                 fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 860             }
 861 #ifdef DEBUG
 862             if (debug)
 863             {
 864                 fprintf(debug, "WPOL: vwpol=%g\n", 0.5*iprod(dx, kdx));
 865                 fprintf(debug, "WPOL: df = (%10g, %10g, %10g)\n", df[XX], df[YY], df[ZZ]);
 866             }
 867 #endif
 868         }
 869     }
 870     return 0.5*vtot;
 871 }
 872
 873 static real do_1_thole(const rvec xi, const rvec xj, rvec fi, rvec fj,
 874                        const t_pbc *pbc, real qq,
 875                        rvec fshift[], real afac)
 876 {
 877     rvec r12;
 878     real r12sq, r12_1, r12n, r12bar, v0, v1, fscal, ebar, fff;
 879     int  m, t;
 880
 881     t      = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r12);                      /*  3 */
 882
 883     r12sq  = iprod(r12, r12);                                     /*  5 */
 884     r12_1  = gmx_invsqrt(r12sq);                                  /*  5 */
 885     r12bar = afac/r12_1;                                          /*  5 */
 886     v0     = qq*ONE_4PI_EPS0*r12_1;                               /*  2 */
 887     ebar   = exp(-r12bar);                                        /*  5 */
 888     v1     = (1-(1+0.5*r12bar)*ebar);                             /*  4 */
 889     fscal  = ((v0*r12_1)*v1 - v0*0.5*afac*ebar*(r12bar+1))*r12_1; /* 9 */
 890     if (debug)
 891     {
 892         fprintf(debug, "THOLE: v0 = %.3f v1 = %.3f r12= % .3f r12bar = %.3f fscal = %.3f  ebar = %.3f\n", v0, v1, 1/r12_1, r12bar, fscal, ebar);
 893     }
 894
 895     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 896     {
 897         fff                 = fscal*r12[m];
 898         fi[m]              += fff;
 899         fj[m]              -= fff;
 900         fshift[t][m]       += fff;
 901         fshift[CENTRAL][m] -= fff;
 902     }             /* 15 */
 903
 904     return v0*v1; /* 1 */
 905     /* 54 */
 906 }
 907
 908 real thole_pol(int nbonds,
 909                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 910                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 911                const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
 912                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 913                const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 914                int gmx_unused *global_atom_index)
 915 {
 916     /* Interaction between two pairs of particles with opposite charge */
 917     int  i, type, a1, da1, a2, da2;
 918     real q1, q2, qq, a, al1, al2, afac;
 919     real V = 0;
 920
 921     for (i = 0; (i < nbonds); )
 922     {
 923         type  = forceatoms[i++];
 924         a1    = forceatoms[i++];
 925         da1   = forceatoms[i++];
 926         a2    = forceatoms[i++];
 927         da2   = forceatoms[i++];
 928         q1    = md->chargeA[da1];
 929         q2    = md->chargeA[da2];
 930         a     = forceparams[type].thole.a;
 931         al1   = forceparams[type].thole.alpha1;
 932         al2   = forceparams[type].thole.alpha2;
 933         qq    = q1*q2;
 934         afac  = a*pow(al1*al2, -1.0/6.0);
 935         V    += do_1_thole(x[a1], x[a2], f[a1], f[a2], pbc, qq, fshift, afac);
 936         V    += do_1_thole(x[da1], x[a2], f[da1], f[a2], pbc, -qq, fshift, afac);
 937         V    += do_1_thole(x[a1], x[da2], f[a1], f[da2], pbc, -qq, fshift, afac);
 938         V    += do_1_thole(x[da1], x[da2], f[da1], f[da2], pbc, qq, fshift, afac);
 939     }
 940     /* 290 flops */
 941     return V;
 942 }
 943
 944 real bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
 945                 rvec r_ij, rvec r_kj, real *costh,
 946                 int *t1, int *t2)
 947 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
 948 {
 949     /* 41 FLOPS */
 950     real th;
 951
 952     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
 953     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
 954
 955     *costh = cos_angle(r_ij, r_kj);        /* 25                */
 956     th     = acos(*costh);                 /* 10                */
 957     /* 41 TOTAL */
 958     return th;
 959 }
 960
 961 real angles(int nbonds,
 962             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 963             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 964             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 965             real lambda, real *dvdlambda,
 966             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 967             int gmx_unused *global_atom_index)
 968 {
 969     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type;
 970     rvec r_ij, r_kj;
 971     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
 972     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
 973
 974     vtot = 0.0;
 975     for (i = 0; i < nbonds; )
 976     {
 977         type = forceatoms[i++];
 978         ai   = forceatoms[i++];
 979         aj   = forceatoms[i++];
 980         ak   = forceatoms[i++];
 981
 982         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
 983                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);  /*  41          */
 984
 985         *dvdlambda += harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
 986                                forceparams[type].harmonic.krB,
 987                                forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD,
 988                                forceparams[type].harmonic.rB*DEG2RAD,
 989                                theta, lambda, &va, &dVdt);  /*  21  */
 990         vtot += va;
 991
 992         cos_theta2 = sqr(cos_theta);
 993         if (cos_theta2 < 1)
 994         {
 995             int  m;
 996             real st, sth;
 997             real cik, cii, ckk;
 998             real nrkj2, nrij2;
 999             real nrkj_1, nrij_1;
1000             rvec f_i, f_j, f_k;
1001
1002             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1003             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1004 #ifdef DEBUG
1005             if (debug)
1006             {
1007                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1008                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1009             }
1010 #endif
1011             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);      /*   5              */
1012             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);      /*   5              */
1013
1014             nrij_1 = gmx_invsqrt(nrij2);    /*  10              */
1015             nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2);    /*  10              */
1016
1017             cik = st*nrij_1*nrkj_1;         /*   2              */
1018             cii = sth*nrij_1*nrij_1;        /*   2              */
1019             ckk = sth*nrkj_1*nrkj_1;        /*   2              */
1020
1021             for (m = 0; m < DIM; m++)
1022             {           /*  39          */
1023                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m] - cii*r_ij[m]);
1024                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m] - ckk*r_kj[m]);
1025                 f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
1026                 f[ai][m] += f_i[m];
1027                 f[aj][m] += f_j[m];
1028                 f[ak][m] += f_k[m];
1029             }
1030             if (g != NULL)
1031             {
1032                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1033
1034                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1035                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1036                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1037                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1038             }
1039             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1040             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1041             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1042         }                                           /* 161 TOTAL        */
1043     }
1044
1045     return vtot;
1046 }
1047
1048 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
1049
1050 /* As angles, but using SIMD to calculate many dihedrals at once.
1051  * This routines does not calculate energies and shift forces.
1052  */
1053 static gmx_inline void
1054 angles_noener_simd(int nbonds,
1055                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1056                    const rvec x[], rvec f[],
1057                    const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1058                    real gmx_unused lambda,
1059                    const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1060                    int gmx_unused *global_atom_index)
1061 {
1062     const int            nfa1 = 4;
1063     int                  i, iu, s, m;
1064     int                  type, ai[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], aj[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1065     int                  ak[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1066     real                 coeff_array[2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *coeff;
1067     real                 dr_array[2*DIM*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *dr;
1068     real                 f_buf_array[6*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *f_buf;
1069     gmx_simd_real_t      k_S, theta0_S;
1070     gmx_simd_real_t      rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1071     gmx_simd_real_t      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1072     gmx_simd_real_t      one_S;
1073     gmx_simd_real_t      min_one_plus_eps_S;
1074     gmx_simd_real_t      rij_rkj_S;
1075     gmx_simd_real_t      nrij2_S, nrij_1_S;
1076     gmx_simd_real_t      nrkj2_S, nrkj_1_S;
1077     gmx_simd_real_t      cos_S, invsin_S;
1078     gmx_simd_real_t      theta_S;
1079     gmx_simd_real_t      st_S, sth_S;
1080     gmx_simd_real_t      cik_S, cii_S, ckk_S;
1081     gmx_simd_real_t      f_ix_S, f_iy_S, f_iz_S;
1082     gmx_simd_real_t      f_kx_S, f_ky_S, f_kz_S;
1083     pbc_simd_t           pbc_simd;
1084
1085     /* Ensure register memory alignment */
1086     coeff = gmx_simd_align_r(coeff_array);
1087     dr    = gmx_simd_align_r(dr_array);
1088     f_buf = gmx_simd_align_r(f_buf_array);
1089
1090     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
1091
1092     one_S = gmx_simd_set1_r(1.0);
1093
1094     /* The smallest number > -1 */
1095     min_one_plus_eps_S = gmx_simd_set1_r(-1.0 + 2*GMX_REAL_EPS);
1096
1097     /* nbonds is the number of angles times nfa1, here we step GMX_SIMD_REAL_WIDTH angles */
1098     for (i = 0; (i < nbonds); i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH*nfa1)
1099     {
1100         /* Collect atoms for GMX_SIMD_REAL_WIDTH angles.
1101          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
1102          */
1103         iu = i;
1104         for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
1105         {
1106             type  = forceatoms[iu];
1107             ai[s] = forceatoms[iu+1];
1108             aj[s] = forceatoms[iu+2];
1109             ak[s] = forceatoms[iu+3];
1110
1111             coeff[s]                     = forceparams[type].harmonic.krA;
1112             coeff[GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s] = forceparams[type].harmonic.rA*DEG2RAD;
1113
1114             /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1115              * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1116              */
1117             /* Store the non PBC corrected distances packed and aligned */
1118             for (m = 0; m < DIM; m++)
1119             {
1120                 dr[s +      m *GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1121                 dr[s + (DIM+m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1122             }
1123
1124             /* At the end fill the arrays with identical entries */
1125             if (iu + nfa1 < nbonds)
1126             {
1127                 iu += nfa1;
1128             }
1129         }
1130
1131         k_S       = gmx_simd_load_r(coeff);
1132         theta0_S  = gmx_simd_load_r(coeff+GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1133
1134         rijx_S    = gmx_simd_load_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1135         rijy_S    = gmx_simd_load_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1136         rijz_S    = gmx_simd_load_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1137         rkjx_S    = gmx_simd_load_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1138         rkjy_S    = gmx_simd_load_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1139         rkjz_S    = gmx_simd_load_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1140
1141         pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, &pbc_simd);
1142         pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, &pbc_simd);
1143
1144         rij_rkj_S = gmx_simd_iprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1145                                      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1146
1147         nrij2_S   = gmx_simd_norm2_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S);
1148         nrkj2_S   = gmx_simd_norm2_r(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1149
1150         nrij_1_S  = gmx_simd_invsqrt_r(nrij2_S);
1151         nrkj_1_S  = gmx_simd_invsqrt_r(nrkj2_S);
1152
1153         cos_S     = gmx_simd_mul_r(rij_rkj_S, gmx_simd_mul_r(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1154
1155         /* To allow for 180 degrees, we take the max of cos and -1 + 1bit,
1156          * so we can safely get the 1/sin from 1/sqrt(1 - cos^2).
1157          * This also ensures that rounding errors would cause the argument
1158          * of gmx_simd_acos_r to be < -1.
1159          * Note that we do not take precautions for cos(0)=1, so the outer
1160          * atoms in an angle should not be on top of each other.
1161          */
1162         cos_S     = gmx_simd_max_r(cos_S, min_one_plus_eps_S);
1163
1164         theta_S   = gmx_simd_acos_r(cos_S);
1165
1166         invsin_S  = gmx_simd_invsqrt_r(gmx_simd_sub_r(one_S, gmx_simd_mul_r(cos_S, cos_S)));
1167
1168         st_S      = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_mul_r(k_S, gmx_simd_sub_r(theta0_S, theta_S)),
1169                                    invsin_S);
1170         sth_S     = gmx_simd_mul_r(st_S, cos_S);
1171
1172         cik_S     = gmx_simd_mul_r(st_S,  gmx_simd_mul_r(nrij_1_S, nrkj_1_S));
1173         cii_S     = gmx_simd_mul_r(sth_S, gmx_simd_mul_r(nrij_1_S, nrij_1_S));
1174         ckk_S     = gmx_simd_mul_r(sth_S, gmx_simd_mul_r(nrkj_1_S, nrkj_1_S));
1175
1176         f_ix_S    = gmx_simd_mul_r(cii_S, rijx_S);
1177         f_ix_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rkjx_S, f_ix_S);
1178         f_iy_S    = gmx_simd_mul_r(cii_S, rijy_S);
1179         f_iy_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rkjy_S, f_iy_S);
1180         f_iz_S    = gmx_simd_mul_r(cii_S, rijz_S);
1181         f_iz_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rkjz_S, f_iz_S);
1182         f_kx_S    = gmx_simd_mul_r(ckk_S, rkjx_S);
1183         f_kx_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rijx_S, f_kx_S);
1184         f_ky_S    = gmx_simd_mul_r(ckk_S, rkjy_S);
1185         f_ky_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rijy_S, f_ky_S);
1186         f_kz_S    = gmx_simd_mul_r(ckk_S, rkjz_S);
1187         f_kz_S    = gmx_simd_fnmadd_r(cik_S, rijz_S, f_kz_S);
1188
1189         gmx_simd_store_r(f_buf + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_ix_S);
1190         gmx_simd_store_r(f_buf + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_iy_S);
1191         gmx_simd_store_r(f_buf + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_iz_S);
1192         gmx_simd_store_r(f_buf + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_kx_S);
1193         gmx_simd_store_r(f_buf + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_ky_S);
1194         gmx_simd_store_r(f_buf + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, f_kz_S);
1195
1196         iu = i;
1197         s  = 0;
1198         do
1199         {
1200             for (m = 0; m < DIM; m++)
1201             {
1202                 f[ai[s]][m] += f_buf[s + m*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1203                 f[aj[s]][m] -= f_buf[s + m*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] + f_buf[s + (DIM+m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1204                 f[ak[s]][m] += f_buf[s + (DIM+m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1205             }
1206             s++;
1207             iu += nfa1;
1208         }
1209         while (s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH && iu < nbonds);
1210     }
1211 }
1212
1213 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
1214
1215 real linear_angles(int nbonds,
1216                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1217                    const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1218                    const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1219                    real lambda, real *dvdlambda,
1220                    const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1221                    int gmx_unused *global_atom_index)
1222 {
1223     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1224     rvec f_i, f_j, f_k;
1225     real L1, kA, kB, aA, aB, dr, dr2, va, vtot, a, b, klin;
1226     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1227     rvec r_ij, r_kj, r_ik, dx;
1228
1229     L1   = 1-lambda;
1230     vtot = 0.0;
1231     for (i = 0; (i < nbonds); )
1232     {
1233         type = forceatoms[i++];
1234         ai   = forceatoms[i++];
1235         aj   = forceatoms[i++];
1236         ak   = forceatoms[i++];
1237
1238         kA   = forceparams[type].linangle.klinA;
1239         kB   = forceparams[type].linangle.klinB;
1240         klin = L1*kA + lambda*kB;
1241
1242         aA   = forceparams[type].linangle.aA;
1243         aB   = forceparams[type].linangle.aB;
1244         a    = L1*aA+lambda*aB;
1245         b    = 1-a;
1246
1247         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
1248         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
1249         rvec_sub(r_ij, r_kj, r_ik);
1250
1251         dr2 = 0;
1252         for (m = 0; (m < DIM); m++)
1253         {
1254             dr        = -a * r_ij[m] - b * r_kj[m];
1255             dr2      += dr*dr;
1256             dx[m]     = dr;
1257             f_i[m]    = a*klin*dr;
1258             f_k[m]    = b*klin*dr;
1259             f_j[m]    = -(f_i[m]+f_k[m]);
1260             f[ai][m] += f_i[m];
1261             f[aj][m] += f_j[m];
1262             f[ak][m] += f_k[m];
1263         }
1264         va          = 0.5*klin*dr2;
1265         *dvdlambda += 0.5*(kB-kA)*dr2 + klin*(aB-aA)*iprod(dx, r_ik);
1266
1267         vtot += va;
1268
1269         if (g)
1270         {
1271             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1272
1273             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1274             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1275             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1276             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1277         }
1278         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1279         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1280         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1281     }                                         /* 57 TOTAL       */
1282     return vtot;
1283 }
1284
1285 real urey_bradley(int nbonds,
1286                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1287                   const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1288                   const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1289                   real lambda, real *dvdlambda,
1290                   const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1291                   int gmx_unused *global_atom_index)
1292 {
1293     int  i, m, ai, aj, ak, t1, t2, type, ki;
1294     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
1295     real cos_theta, cos_theta2, theta;
1296     real dVdt, va, vtot, dr, dr2, vbond, fbond, fik;
1297     real kthA, th0A, kUBA, r13A, kthB, th0B, kUBB, r13B;
1298     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_ik;
1299
1300     vtot = 0.0;
1301     for (i = 0; (i < nbonds); )
1302     {
1303         type  = forceatoms[i++];
1304         ai    = forceatoms[i++];
1305         aj    = forceatoms[i++];
1306         ak    = forceatoms[i++];
1307         th0A  = forceparams[type].u_b.thetaA*DEG2RAD;
1308         kthA  = forceparams[type].u_b.kthetaA;
1309         r13A  = forceparams[type].u_b.r13A;
1310         kUBA  = forceparams[type].u_b.kUBA;
1311         th0B  = forceparams[type].u_b.thetaB*DEG2RAD;
1312         kthB  = forceparams[type].u_b.kthetaB;
1313         r13B  = forceparams[type].u_b.r13B;
1314         kUBB  = forceparams[type].u_b.kUBB;
1315
1316         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1317                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2);                     /*  41               */
1318
1319         *dvdlambda += harmonic(kthA, kthB, th0A, th0B, theta, lambda, &va, &dVdt); /*  21  */
1320         vtot       += va;
1321
1322         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);                               /*   3      */
1323         dr2  = iprod(r_ik, r_ik);                                                   /*   5              */
1324         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                                                /*  10              */
1325
1326         *dvdlambda += harmonic(kUBA, kUBB, r13A, r13B, dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  19  */
1327
1328         cos_theta2 = sqr(cos_theta);                                                /*   1              */
1329         if (cos_theta2 < 1)
1330         {
1331             real st, sth;
1332             real cik, cii, ckk;
1333             real nrkj2, nrij2;
1334             rvec f_i, f_j, f_k;
1335
1336             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1337             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1338 #ifdef DEBUG
1339             if (debug)
1340             {
1341                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1342                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1343             }
1344 #endif
1345             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1346             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1347
1348             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1349             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1350             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1351
1352             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1353             {
1354                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1355                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1356                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1357                 f[ai][m] += f_i[m];
1358                 f[aj][m] += f_j[m];
1359                 f[ak][m] += f_k[m];
1360             }
1361             if (g)
1362             {
1363                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1364
1365                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1366                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1367                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1368                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1369             }
1370             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1371             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1372             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1373         }                                       /* 161 TOTAL    */
1374         /* Time for the bond calculations */
1375         if (dr2 == 0.0)
1376         {
1377             continue;
1378         }
1379
1380         vtot  += vbond;            /* 1*/
1381         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
1382
1383         if (g)
1384         {
1385             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, ak), dt_ik);
1386             ki = IVEC2IS(dt_ik);
1387         }
1388         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
1389         {
1390             fik                 = fbond*r_ik[m];
1391             f[ai][m]           += fik;
1392             f[ak][m]           -= fik;
1393             fshift[ki][m]      += fik;
1394             fshift[CENTRAL][m] -= fik;
1395         }
1396     }
1397     return vtot;
1398 }
1399
1400 real quartic_angles(int nbonds,
1401                     const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1402                     const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1403                     const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1404                     real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
1405                     const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1406                     int gmx_unused *global_atom_index)
1407 {
1408     int  i, j, ai, aj, ak, t1, t2, type;
1409     rvec r_ij, r_kj;
1410     real cos_theta, cos_theta2, theta, dt, dVdt, va, dtp, c, vtot;
1411     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
1412
1413     vtot = 0.0;
1414     for (i = 0; (i < nbonds); )
1415     {
1416         type = forceatoms[i++];
1417         ai   = forceatoms[i++];
1418         aj   = forceatoms[i++];
1419         ak   = forceatoms[i++];
1420
1421         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
1422                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
1423
1424         dt = theta - forceparams[type].qangle.theta*DEG2RAD;   /* 2          */
1425
1426         dVdt = 0;
1427         va   = forceparams[type].qangle.c[0];
1428         dtp  = 1.0;
1429         for (j = 1; j <= 4; j++)
1430         {
1431             c     = forceparams[type].qangle.c[j];
1432             dVdt -= j*c*dtp;
1433             dtp  *= dt;
1434             va   += c*dtp;
1435         }
1436         /* 20 */
1437
1438         vtot += va;
1439
1440         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
1441         if (cos_theta2 < 1)
1442         {
1443             int  m;
1444             real st, sth;
1445             real cik, cii, ckk;
1446             real nrkj2, nrij2;
1447             rvec f_i, f_j, f_k;
1448
1449             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
1450             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
1451 #ifdef DEBUG
1452             if (debug)
1453             {
1454                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
1455                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
1456             }
1457 #endif
1458             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
1459             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
1460
1461             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
1462             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
1463             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
1464
1465             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
1466             {
1467                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
1468                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
1469                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
1470                 f[ai][m] += f_i[m];
1471                 f[aj][m] += f_j[m];
1472                 f[ak][m] += f_k[m];
1473             }
1474             if (g)
1475             {
1476                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
1477
1478                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
1479                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
1480                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1481                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1482             }
1483             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1484             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
1485             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
1486         }                                       /* 153 TOTAL    */
1487     }
1488     return vtot;
1489 }
1490
1491 real dih_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const rvec xl,
1492                const t_pbc *pbc,
1493                rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl, rvec m, rvec n,
1494                real *sign, int *t1, int *t2, int *t3)
1495 {
1496     real ipr, phi;
1497
1498     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3        */
1499     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
1500     *t3 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xl, r_kl); /*  3                */
1501
1502     cprod(r_ij, r_kj, m);                  /*  9        */
1503     cprod(r_kj, r_kl, n);                  /*  9                */
1504     phi     = gmx_angle(m, n);             /* 49 (assuming 25 for atan2) */
1505     ipr     = iprod(r_ij, n);              /*  5        */
1506     (*sign) = (ipr < 0.0) ? -1.0 : 1.0;
1507     phi     = (*sign)*phi;                 /*  1                */
1508     /* 82 TOTAL */
1509     return phi;
1510 }
1511
1512
1513 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
1514
1515 /* As dih_angle above, but calculates 4 dihedral angles at once using SIMD,
1516  * also calculates the pre-factor required for the dihedral force update.
1517  * Note that bv and buf should be register aligned.
1518  */
1519 static gmx_inline void
1520 dih_angle_simd(const rvec *x,
1521                const int *ai, const int *aj, const int *ak, const int *al,
1522                const pbc_simd_t *pbc,
1523                real *dr,
1524                gmx_simd_real_t *phi_S,
1525                gmx_simd_real_t *mx_S, gmx_simd_real_t *my_S, gmx_simd_real_t *mz_S,
1526                gmx_simd_real_t *nx_S, gmx_simd_real_t *ny_S, gmx_simd_real_t *nz_S,
1527                gmx_simd_real_t *nrkj_m2_S,
1528                gmx_simd_real_t *nrkj_n2_S,
1529                real *p,
1530                real *q)
1531 {
1532     int             s, m;
1533     gmx_simd_real_t rijx_S, rijy_S, rijz_S;
1534     gmx_simd_real_t rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S;
1535     gmx_simd_real_t rklx_S, rkly_S, rklz_S;
1536     gmx_simd_real_t cx_S, cy_S, cz_S;
1537     gmx_simd_real_t cn_S;
1538     gmx_simd_real_t s_S;
1539     gmx_simd_real_t ipr_S;
1540     gmx_simd_real_t iprm_S, iprn_S;
1541     gmx_simd_real_t nrkj2_S, nrkj_1_S, nrkj_2_S, nrkj_S;
1542     gmx_simd_real_t toler_S;
1543     gmx_simd_real_t p_S, q_S;
1544     gmx_simd_real_t nrkj2_min_S;
1545     gmx_simd_real_t real_eps_S;
1546
1547     /* Used to avoid division by zero.
1548      * We take into acount that we multiply the result by real_eps_S.
1549      */
1550     nrkj2_min_S = gmx_simd_set1_r(GMX_REAL_MIN/(2*GMX_REAL_EPS));
1551
1552     /* The value of the last significant bit (GMX_REAL_EPS is half of that) */
1553     real_eps_S  = gmx_simd_set1_r(2*GMX_REAL_EPS);
1554
1555     for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
1556     {
1557         /* If you can't use pbc_dx_simd below for PBC, e.g. because
1558          * you can't round in SIMD, use pbc_rvec_sub here.
1559          */
1560         for (m = 0; m < DIM; m++)
1561         {
1562             dr[s + (0*DIM + m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ai[s]][m] - x[aj[s]][m];
1563             dr[s + (1*DIM + m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ak[s]][m] - x[aj[s]][m];
1564             dr[s + (2*DIM + m)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH] = x[ak[s]][m] - x[al[s]][m];
1565         }
1566     }
1567
1568     rijx_S = gmx_simd_load_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1569     rijy_S = gmx_simd_load_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1570     rijz_S = gmx_simd_load_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1571     rkjx_S = gmx_simd_load_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1572     rkjy_S = gmx_simd_load_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1573     rkjz_S = gmx_simd_load_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1574     rklx_S = gmx_simd_load_r(dr + 6*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1575     rkly_S = gmx_simd_load_r(dr + 7*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1576     rklz_S = gmx_simd_load_r(dr + 8*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
1577
1578     pbc_dx_simd(&rijx_S, &rijy_S, &rijz_S, pbc);
1579     pbc_dx_simd(&rkjx_S, &rkjy_S, &rkjz_S, pbc);
1580     pbc_dx_simd(&rklx_S, &rkly_S, &rklz_S, pbc);
1581
1582     gmx_simd_cprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1583                      rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1584                      mx_S, my_S, mz_S);
1585
1586     gmx_simd_cprod_r(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S,
1587                      rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1588                      nx_S, ny_S, nz_S);
1589
1590     gmx_simd_cprod_r(*mx_S, *my_S, *mz_S,
1591                      *nx_S, *ny_S, *nz_S,
1592                      &cx_S, &cy_S, &cz_S);
1593
1594     cn_S       = gmx_simd_sqrt_r(gmx_simd_norm2_r(cx_S, cy_S, cz_S));
1595
1596     s_S        = gmx_simd_iprod_r(*mx_S, *my_S, *mz_S, *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1597
1598     /* Determine the dihedral angle, the sign might need correction */
1599     *phi_S     = gmx_simd_atan2_r(cn_S, s_S);
1600
1601     ipr_S      = gmx_simd_iprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1602                                   *nx_S, *ny_S, *nz_S);
1603
1604     iprm_S     = gmx_simd_norm2_r(*mx_S, *my_S, *mz_S);
1605     iprn_S     = gmx_simd_norm2_r(*nx_S, *ny_S, *nz_S);
1606
1607     nrkj2_S    = gmx_simd_norm2_r(rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1608
1609     /* Avoid division by zero. When zero, the result is multiplied by 0
1610      * anyhow, so the 3 max below do not affect the final result.
1611      */
1612     nrkj2_S    = gmx_simd_max_r(nrkj2_S, nrkj2_min_S);
1613     nrkj_1_S   = gmx_simd_invsqrt_r(nrkj2_S);
1614     nrkj_2_S   = gmx_simd_mul_r(nrkj_1_S, nrkj_1_S);
1615     nrkj_S     = gmx_simd_mul_r(nrkj2_S, nrkj_1_S);
1616
1617     toler_S    = gmx_simd_mul_r(nrkj2_S, real_eps_S);
1618
1619     /* Here the plain-C code uses a conditional, but we can't do that in SIMD.
1620      * So we take a max with the tolerance instead. Since we multiply with
1621      * m or n later, the max does not affect the results.
1622      */
1623     iprm_S     = gmx_simd_max_r(iprm_S, toler_S);
1624     iprn_S     = gmx_simd_max_r(iprn_S, toler_S);
1625     *nrkj_m2_S = gmx_simd_mul_r(nrkj_S, gmx_simd_inv_r(iprm_S));
1626     *nrkj_n2_S = gmx_simd_mul_r(nrkj_S, gmx_simd_inv_r(iprn_S));
1627
1628     /* Set sign of phi_S with the sign of ipr_S; phi_S is currently positive */
1629     *phi_S     = gmx_simd_xor_sign_r(*phi_S, ipr_S);
1630     p_S        = gmx_simd_iprod_r(rijx_S, rijy_S, rijz_S,
1631                                   rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1632     p_S        = gmx_simd_mul_r(p_S, nrkj_2_S);
1633
1634     q_S        = gmx_simd_iprod_r(rklx_S, rkly_S, rklz_S,
1635                                   rkjx_S, rkjy_S, rkjz_S);
1636     q_S        = gmx_simd_mul_r(q_S, nrkj_2_S);
1637
1638     gmx_simd_store_r(p, p_S);
1639     gmx_simd_store_r(q, q_S);
1640 }
1641
1642 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
1643
1644
1645 void do_dih_fup(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1646                 rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1647                 rvec m, rvec n, rvec f[], rvec fshift[],
1648                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1649                 const rvec x[], int t1, int t2, int t3)
1650 {
1651     /* 143 FLOPS */
1652     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1653     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1654     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1655     real a, b, p, q, toler;
1656     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1657
1658     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1659     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1660     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1661     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1662     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1663     {
1664         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1665         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1666         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1667         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1668         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1669         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1670         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1671         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1672         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1673         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1674         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1675         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1676         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1677         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1678         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1679         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1680         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1681         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1682         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1683         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1684
1685         if (g)
1686         {
1687             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, j), jt);
1688             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, i), jt, dt_ij);
1689             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, k), jt, dt_kj);
1690             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, l), jt, dt_lj);
1691             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
1692             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
1693             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
1694         }
1695         else if (pbc)
1696         {
1697             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[l], x[j], dx_jl);
1698         }
1699         else
1700         {
1701             t3 = CENTRAL;
1702         }
1703
1704         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
1705         rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_j);
1706         rvec_dec(fshift[t2], f_k);
1707         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
1708     }
1709     /* 112 TOTAL    */
1710 }
1711
1712 /* As do_dih_fup above, but without shift forces */
1713 static void
1714 do_dih_fup_noshiftf(int i, int j, int k, int l, real ddphi,
1715                     rvec r_ij, rvec r_kj, rvec r_kl,
1716                     rvec m, rvec n, rvec f[])
1717 {
1718     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1719     rvec uvec, vvec, svec, dx_jl;
1720     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1721     real a, b, p, q, toler;
1722     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
1723
1724     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1725     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1726     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1727     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1728     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1729     {
1730         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1731         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1732         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1733         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1734         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1735         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1736         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1737         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1738         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1739         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1740         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1741         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1742         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1743         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1744         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1745         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1746         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1747         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1748         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1749         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1750     }
1751 }
1752
1753 /* As do_dih_fup_noshiftf above, but with pre-calculated pre-factors */
1754 static gmx_inline void
1755 do_dih_fup_noshiftf_precalc(int i, int j, int k, int l,
1756                             real p, real q,
1757                             real f_i_x, real f_i_y, real f_i_z,
1758                             real mf_l_x, real mf_l_y, real mf_l_z,
1759                             rvec f[])
1760 {
1761     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1762     rvec uvec, vvec, svec;
1763
1764     f_i[XX] = f_i_x;
1765     f_i[YY] = f_i_y;
1766     f_i[ZZ] = f_i_z;
1767     f_l[XX] = -mf_l_x;
1768     f_l[YY] = -mf_l_y;
1769     f_l[ZZ] = -mf_l_z;
1770     svmul(p, f_i, uvec);
1771     svmul(q, f_l, vvec);
1772     rvec_sub(uvec, vvec, svec);
1773     rvec_sub(f_i, svec, f_j);
1774     rvec_add(f_l, svec, f_k);
1775     rvec_inc(f[i], f_i);
1776     rvec_dec(f[j], f_j);
1777     rvec_dec(f[k], f_k);
1778     rvec_inc(f[l], f_l);
1779 }
1780
1781
1782 real dopdihs(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1783              real phi, real lambda, real *V, real *F)
1784 {
1785     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1786     real L1   = 1.0 - lambda;
1787     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1788     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1789     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1790
1791     mdphi =  mult*phi - ph0;
1792     sdphi = sin(mdphi);
1793     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1794     v1    = 1.0 + cos(mdphi);
1795     v     = cp*v1;
1796
1797     dvdlambda  = (cpB - cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1798
1799     *V = v;
1800     *F = ddphi;
1801
1802     return dvdlambda;
1803
1804     /* That was 40 flops */
1805 }
1806
1807 static void
1808 dopdihs_noener(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1809                real phi, real lambda, real *F)
1810 {
1811     real mdphi, sdphi, ddphi;
1812     real L1   = 1.0 - lambda;
1813     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1814     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1815
1816     mdphi = mult*phi - ph0;
1817     sdphi = sin(mdphi);
1818     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1819
1820     *F = ddphi;
1821
1822     /* That was 20 flops */
1823 }
1824
1825 static void
1826 dopdihs_mdphi(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1827               real phi, real lambda, real *cp, real *mdphi)
1828 {
1829     real L1   = 1.0 - lambda;
1830     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1831
1832     *cp    = L1*cpA + lambda*cpB;
1833
1834     *mdphi = mult*phi - ph0;
1835 }
1836
1837 static real dopdihs_min(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1838                         real phi, real lambda, real *V, real *F)
1839 /* similar to dopdihs, except for a minus sign  *
1840  * and a different treatment of mult/phi0       */
1841 {
1842     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1843     real L1   = 1.0 - lambda;
1844     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1845     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1846     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1847
1848     mdphi = mult*(phi-ph0);
1849     sdphi = sin(mdphi);
1850     ddphi = cp*mult*sdphi;
1851     v1    = 1.0-cos(mdphi);
1852     v     = cp*v1;
1853
1854     dvdlambda  = (cpB-cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1855
1856     *V = v;
1857     *F = ddphi;
1858
1859     return dvdlambda;
1860
1861     /* That was 40 flops */
1862 }
1863
1864 real pdihs(int nbonds,
1865            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1866            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1867            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1868            real lambda, real *dvdlambda,
1869            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1870            int gmx_unused *global_atom_index)
1871 {
1872     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1873     int  t1, t2, t3;
1874     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1875     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
1876
1877     vtot = 0.0;
1878
1879     for (i = 0; (i < nbonds); )
1880     {
1881         type = forceatoms[i++];
1882         ai   = forceatoms[i++];
1883         aj   = forceatoms[i++];
1884         ak   = forceatoms[i++];
1885         al   = forceatoms[i++];
1886
1887         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1888                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84      */
1889         *dvdlambda += dopdihs(forceparams[type].pdihs.cpA,
1890                               forceparams[type].pdihs.cpB,
1891                               forceparams[type].pdihs.phiA,
1892                               forceparams[type].pdihs.phiB,
1893                               forceparams[type].pdihs.mult,
1894                               phi, lambda, &vpd, &ddphi);
1895
1896         vtot += vpd;
1897         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1898                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
1899
1900 #ifdef DEBUG
1901         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
1902                 ai, aj, ak, al, phi);
1903 #endif
1904     } /* 223 TOTAL  */
1905
1906     return vtot;
1907 }
1908
1909 void make_dp_periodic(real *dp)  /* 1 flop? */
1910 {
1911     /* dp cannot be outside (-pi,pi) */
1912     if (*dp >= M_PI)
1913     {
1914         *dp -= 2*M_PI;
1915     }
1916     else if (*dp < -M_PI)
1917     {
1918         *dp += 2*M_PI;
1919     }
1920     return;
1921 }
1922
1923 /* As pdihs above, but without calculating energies and shift forces */
1924 static void
1925 pdihs_noener(int nbonds,
1926              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1927              const rvec x[], rvec f[],
1928              const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1929              real lambda,
1930              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1931              int gmx_unused *global_atom_index)
1932 {
1933     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1934     int  t1, t2, t3;
1935     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1936     real phi, sign, ddphi_tot, ddphi;
1937
1938     for (i = 0; (i < nbonds); )
1939     {
1940         ai   = forceatoms[i+1];
1941         aj   = forceatoms[i+2];
1942         ak   = forceatoms[i+3];
1943         al   = forceatoms[i+4];
1944
1945         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1946                         &sign, &t1, &t2, &t3);
1947
1948         ddphi_tot = 0;
1949
1950         /* Loop over dihedrals working on the same atoms,
1951          * so we avoid recalculating angles and force distributions.
1952          */
1953         do
1954         {
1955             type = forceatoms[i];
1956             dopdihs_noener(forceparams[type].pdihs.cpA,
1957                            forceparams[type].pdihs.cpB,
1958                            forceparams[type].pdihs.phiA,
1959                            forceparams[type].pdihs.phiB,
1960                            forceparams[type].pdihs.mult,
1961                            phi, lambda, &ddphi);
1962             ddphi_tot += ddphi;
1963
1964             i += 5;
1965         }
1966         while (i < nbonds &&
1967                forceatoms[i+1] == ai &&
1968                forceatoms[i+2] == aj &&
1969                forceatoms[i+3] == ak &&
1970                forceatoms[i+4] == al);
1971
1972         do_dih_fup_noshiftf(ai, aj, ak, al, ddphi_tot, r_ij, r_kj, r_kl, m, n, f);
1973     }
1974 }
1975
1976
1977 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
1978
1979 /* As pdihs_noner above, but using SIMD to calculate many dihedrals at once */
1980 static void
1981 pdihs_noener_simd(int nbonds,
1982                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1983                   const rvec x[], rvec f[],
1984                   const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1985                   real gmx_unused lambda,
1986                   const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1987                   int gmx_unused *global_atom_index)
1988 {
1989     const int             nfa1 = 5;
1990     int                   i, iu, s;
1991     int                   type, ai[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], aj[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], ak[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], al[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1992     int                   t1[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], t2[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], t3[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1993     real                  ddphi;
1994     real                  dr_array[3*DIM*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *dr;
1995     real                  buf_array[7*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *buf;
1996     real                 *cp, *phi0, *mult, *phi, *p, *q, *sf_i, *msf_l;
1997     gmx_simd_real_t       phi0_S, phi_S;
1998     gmx_simd_real_t       mx_S, my_S, mz_S;
1999     gmx_simd_real_t       nx_S, ny_S, nz_S;
2000     gmx_simd_real_t       nrkj_m2_S, nrkj_n2_S;
2001     gmx_simd_real_t       cp_S, mdphi_S, mult_S;
2002     gmx_simd_real_t       sin_S, cos_S;
2003     gmx_simd_real_t       mddphi_S;
2004     gmx_simd_real_t       sf_i_S, msf_l_S;
2005     pbc_simd_t            pbc_simd;
2006
2007     /* Ensure SIMD register alignment */
2008     dr  = gmx_simd_align_r(dr_array);
2009     buf = gmx_simd_align_r(buf_array);
2010
2011     /* Extract aligned pointer for parameters and variables */
2012     cp    = buf + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2013     phi0  = buf + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2014     mult  = buf + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2015     p     = buf + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2016     q     = buf + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2017     sf_i  = buf + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2018     msf_l = buf + 6*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2019
2020     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
2021
2022     /* nbonds is the number of dihedrals times nfa1, here we step GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihs */
2023     for (i = 0; (i < nbonds); i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH*nfa1)
2024     {
2025         /* Collect atoms quadruplets for GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedrals.
2026          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
2027          */
2028         iu = i;
2029         for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
2030         {
2031             type  = forceatoms[iu];
2032             ai[s] = forceatoms[iu+1];
2033             aj[s] = forceatoms[iu+2];
2034             ak[s] = forceatoms[iu+3];
2035             al[s] = forceatoms[iu+4];
2036
2037             cp[s]   = forceparams[type].pdihs.cpA;
2038             phi0[s] = forceparams[type].pdihs.phiA*DEG2RAD;
2039             mult[s] = forceparams[type].pdihs.mult;
2040
2041             /* At the end fill the arrays with identical entries */
2042             if (iu + nfa1 < nbonds)
2043             {
2044                 iu += nfa1;
2045             }
2046         }
2047
2048         /* Caclulate GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedral angles at once */
2049         dih_angle_simd(x, ai, aj, ak, al, &pbc_simd,
2050                        dr,
2051                        &phi_S,
2052                        &mx_S, &my_S, &mz_S,
2053                        &nx_S, &ny_S, &nz_S,
2054                        &nrkj_m2_S,
2055                        &nrkj_n2_S,
2056                        p, q);
2057
2058         cp_S     = gmx_simd_load_r(cp);
2059         phi0_S   = gmx_simd_load_r(phi0);
2060         mult_S   = gmx_simd_load_r(mult);
2061
2062         mdphi_S  = gmx_simd_sub_r(gmx_simd_mul_r(mult_S, phi_S), phi0_S);
2063
2064         /* Calculate GMX_SIMD_REAL_WIDTH sines at once */
2065         gmx_simd_sincos_r(mdphi_S, &sin_S, &cos_S);
2066         mddphi_S = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_mul_r(cp_S, mult_S), sin_S);
2067         sf_i_S   = gmx_simd_mul_r(mddphi_S, nrkj_m2_S);
2068         msf_l_S  = gmx_simd_mul_r(mddphi_S, nrkj_n2_S);
2069
2070         /* After this m?_S will contain f[i] */
2071         mx_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mx_S);
2072         my_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, my_S);
2073         mz_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mz_S);
2074
2075         /* After this m?_S will contain -f[l] */
2076         nx_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nx_S);
2077         ny_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, ny_S);
2078         nz_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nz_S);
2079
2080         gmx_simd_store_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mx_S);
2081         gmx_simd_store_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, my_S);
2082         gmx_simd_store_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mz_S);
2083         gmx_simd_store_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nx_S);
2084         gmx_simd_store_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, ny_S);
2085         gmx_simd_store_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nz_S);
2086
2087         iu = i;
2088         s  = 0;
2089         do
2090         {
2091             do_dih_fup_noshiftf_precalc(ai[s], aj[s], ak[s], al[s],
2092                                         p[s], q[s],
2093                                         dr[     XX *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2094                                         dr[     YY *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2095                                         dr[     ZZ *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2096                                         dr[(DIM+XX)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2097                                         dr[(DIM+YY)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2098                                         dr[(DIM+ZZ)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2099                                         f);
2100             s++;
2101             iu += nfa1;
2102         }
2103         while (s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH && iu < nbonds);
2104     }
2105 }
2106
2107 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
2108
2109
2110 real idihs(int nbonds,
2111            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2112            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2113            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2114            real lambda, real *dvdlambda,
2115            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2116            int gmx_unused *global_atom_index)
2117 {
2118     int  i, type, ai, aj, ak, al;
2119     int  t1, t2, t3;
2120     real phi, phi0, dphi0, ddphi, sign, vtot;
2121     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2122     real L1, kk, dp, dp2, kA, kB, pA, pB, dvdl_term;
2123
2124     L1        = 1.0-lambda;
2125     dvdl_term = 0;
2126     vtot      = 0.0;
2127     for (i = 0; (i < nbonds); )
2128     {
2129         type = forceatoms[i++];
2130         ai   = forceatoms[i++];
2131         aj   = forceatoms[i++];
2132         ak   = forceatoms[i++];
2133         al   = forceatoms[i++];
2134
2135         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2136                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2137
2138         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2139          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2140          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2141          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2142          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2143          * the potential.
2144          */
2145         kA = forceparams[type].harmonic.krA;
2146         kB = forceparams[type].harmonic.krB;
2147         pA = forceparams[type].harmonic.rA;
2148         pB = forceparams[type].harmonic.rB;
2149
2150         kk    = L1*kA + lambda*kB;
2151         phi0  = (L1*pA + lambda*pB)*DEG2RAD;
2152         dphi0 = (pB - pA)*DEG2RAD;
2153
2154         dp = phi-phi0;
2155
2156         make_dp_periodic(&dp);
2157
2158         dp2 = dp*dp;
2159
2160         vtot += 0.5*kk*dp2;
2161         ddphi = -kk*dp;
2162
2163         dvdl_term += 0.5*(kB - kA)*dp2 - kk*dphi0*dp;
2164
2165         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, (real)(-ddphi), r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2166                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2167         /* 218 TOTAL    */
2168 #ifdef DEBUG
2169         if (debug)
2170         {
2171             fprintf(debug, "idih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
2172                     ai, aj, ak, al, phi);
2173         }
2174 #endif
2175     }
2176
2177     *dvdlambda += dvdl_term;
2178     return vtot;
2179 }
2180
2181
2182 /*! \brief returns dx, rdist, and dpdl for functions posres() and fbposres()
2183  */
2184 static void posres_dx(const rvec x, const rvec pos0A, const rvec pos0B,
2185                       const rvec comA_sc, const rvec comB_sc,
2186                       real lambda,
2187                       t_pbc *pbc, int refcoord_scaling, int npbcdim,
2188                       rvec dx, rvec rdist, rvec dpdl)
2189 {
2190     int  m, d;
2191     real posA, posB, L1, ref = 0.;
2192     rvec pos;
2193
2194     L1 = 1.0-lambda;
2195
2196     for (m = 0; m < DIM; m++)
2197     {
2198         posA = pos0A[m];
2199         posB = pos0B[m];
2200         if (m < npbcdim)
2201         {
2202             switch (refcoord_scaling)
2203             {
2204                 case erscNO:
2205                     ref      = 0;
2206                     rdist[m] = L1*posA + lambda*posB;
2207                     dpdl[m]  = posB - posA;
2208                     break;
2209                 case erscALL:
2210                     /* Box relative coordinates are stored for dimensions with pbc */
2211                     posA *= pbc->box[m][m];
2212                     posB *= pbc->box[m][m];
2213                     assert(npbcdim <= DIM);
2214                     for (d = m+1; d < npbcdim; d++)
2215                     {
2216                         posA += pos0A[d]*pbc->box[d][m];
2217                         posB += pos0B[d]*pbc->box[d][m];
2218                     }
2219                     ref      = L1*posA + lambda*posB;
2220                     rdist[m] = 0;
2221                     dpdl[m]  = posB - posA;
2222                     break;
2223                 case erscCOM:
2224                     ref      = L1*comA_sc[m] + lambda*comB_sc[m];
2225                     rdist[m] = L1*posA       + lambda*posB;
2226                     dpdl[m]  = comB_sc[m] - comA_sc[m] + posB - posA;
2227                     break;
2228                 default:
2229                     gmx_fatal(FARGS, "No such scaling method implemented");
2230             }
2231         }
2232         else
2233         {
2234             ref      = L1*posA + lambda*posB;
2235             rdist[m] = 0;
2236             dpdl[m]  = posB - posA;
2237         }
2238
2239         /* We do pbc_dx with ref+rdist,
2240          * since with only ref we can be up to half a box vector wrong.
2241          */
2242         pos[m] = ref + rdist[m];
2243     }
2244
2245     if (pbc)
2246     {
2247         pbc_dx(pbc, x, pos, dx);
2248     }
2249     else
2250     {
2251         rvec_sub(x, pos, dx);
2252     }
2253 }
2254
2255 /*! \brief Adds forces of flat-bottomed positions restraints to f[]
2256  *         and fixes vir_diag. Returns the flat-bottomed potential. */
2257 real fbposres(int nbonds,
2258               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2259               const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2260               t_pbc *pbc,
2261               int refcoord_scaling, int ePBC, rvec com)
2262 /* compute flat-bottomed positions restraints */
2263 {
2264     int              i, ai, m, d, type, npbcdim = 0, fbdim;
2265     const t_iparams *pr;
2266     real             vtot, kk, v;
2267     real             ref = 0, dr, dr2, rpot, rfb, rfb2, fact, invdr;
2268     rvec             com_sc, rdist, pos, dx, dpdl, fm;
2269     gmx_bool         bInvert;
2270
2271     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2272
2273     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2274     {
2275         clear_rvec(com_sc);
2276         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2277         {
2278             assert(npbcdim <= DIM);
2279             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2280             {
2281                 com_sc[m] += com[d]*pbc->box[d][m];
2282             }
2283         }
2284     }
2285
2286     vtot = 0.0;
2287     for (i = 0; (i < nbonds); )
2288     {
2289         type = forceatoms[i++];
2290         ai   = forceatoms[i++];
2291         pr   = &forceparams[type];
2292
2293         /* same calculation as for normal posres, but with identical A and B states, and lambda==0 */
2294         posres_dx(x[ai], forceparams[type].fbposres.pos0, forceparams[type].fbposres.pos0,
2295                   com_sc, com_sc, 0.0,
2296                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2297                   dx, rdist, dpdl);
2298
2299         clear_rvec(fm);
2300         v = 0.0;
2301
2302         kk   = pr->fbposres.k;
2303         rfb  = pr->fbposres.r;
2304         rfb2 = sqr(rfb);
2305
2306         /* with rfb<0, push particle out of the sphere/cylinder/layer */
2307         bInvert = FALSE;
2308         if (rfb < 0.)
2309         {
2310             bInvert = TRUE;
2311             rfb     = -rfb;
2312         }
2313
2314         switch (pr->fbposres.geom)
2315         {
2316             case efbposresSPHERE:
2317                 /* spherical flat-bottom posres */
2318                 dr2 = norm2(dx);
2319                 if (dr2 > 0.0 &&
2320                     ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2321                     )
2322                 {
2323                     dr   = sqrt(dr2);
2324                     v    = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2325                     fact = -kk*(dr-rfb)/dr; /* Force pointing to the center pos0 */
2326                     svmul(fact, dx, fm);
2327                 }
2328                 break;
2329             case efbposresCYLINDER:
2330                 /* cylidrical flat-bottom posres in x-y plane. fm[ZZ] = 0. */
2331                 dr2 = sqr(dx[XX])+sqr(dx[YY]);
2332                 if  (dr2 > 0.0 &&
2333                      ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2334                      )
2335                 {
2336                     dr     = sqrt(dr2);
2337                     invdr  = 1./dr;
2338                     v      = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2339                     fm[XX] = -kk*(dr-rfb)*dx[XX]*invdr; /* Force pointing to the center */
2340                     fm[YY] = -kk*(dr-rfb)*dx[YY]*invdr;
2341                 }
2342                 break;
2343             case efbposresX: /* fbdim=XX */
2344             case efbposresY: /* fbdim=YY */
2345             case efbposresZ: /* fbdim=ZZ */
2346                 /* 1D flat-bottom potential */
2347                 fbdim = pr->fbposres.geom - efbposresX;
2348                 dr    = dx[fbdim];
2349                 if ( ( dr > rfb && bInvert == FALSE ) || ( 0 < dr && dr < rfb && bInvert == TRUE )  )
2350                 {
2351                     v         = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2352                     fm[fbdim] = -kk*(dr - rfb);
2353                 }
2354                 else if ( (dr < (-rfb) && bInvert == FALSE ) || ( (-rfb) < dr && dr < 0 && bInvert == TRUE ))
2355                 {
2356                     v         = 0.5*kk*sqr(dr + rfb);
2357                     fm[fbdim] = -kk*(dr + rfb);
2358                 }
2359                 break;
2360         }
2361
2362         vtot += v;
2363
2364         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2365         {
2366             f[ai][m]   += fm[m];
2367             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2368             vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm[m];
2369         }
2370     }
2371
2372     return vtot;
2373 }
2374
2375
2376 real posres(int nbonds,
2377             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2378             const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2379             t_pbc *pbc,
2380             real lambda, real *dvdlambda,
2381             int refcoord_scaling, int ePBC, rvec comA, rvec comB)
2382 {
2383     int              i, ai, m, d, type, ki, npbcdim = 0;
2384     const t_iparams *pr;
2385     real             L1;
2386     real             vtot, kk, fm;
2387     real             posA, posB, ref = 0;
2388     rvec             comA_sc, comB_sc, rdist, dpdl, pos, dx;
2389     gmx_bool         bForceValid = TRUE;
2390
2391     if ((f == NULL) || (vir_diag == NULL))    /* should both be null together! */
2392     {
2393         bForceValid = FALSE;
2394     }
2395
2396     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2397
2398     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2399     {
2400         clear_rvec(comA_sc);
2401         clear_rvec(comB_sc);
2402         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2403         {
2404             assert(npbcdim <= DIM);
2405             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2406             {
2407                 comA_sc[m] += comA[d]*pbc->box[d][m];
2408                 comB_sc[m] += comB[d]*pbc->box[d][m];
2409             }
2410         }
2411     }
2412
2413     L1 = 1.0 - lambda;
2414
2415     vtot = 0.0;
2416     for (i = 0; (i < nbonds); )
2417     {
2418         type = forceatoms[i++];
2419         ai   = forceatoms[i++];
2420         pr   = &forceparams[type];
2421
2422         /* return dx, rdist, and dpdl */
2423         posres_dx(x[ai], forceparams[type].posres.pos0A, forceparams[type].posres.pos0B,
2424                   comA_sc, comB_sc, lambda,
2425                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2426                   dx, rdist, dpdl);
2427
2428         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2429         {
2430             kk          = L1*pr->posres.fcA[m] + lambda*pr->posres.fcB[m];
2431             fm          = -kk*dx[m];
2432             vtot       += 0.5*kk*dx[m]*dx[m];
2433             *dvdlambda +=
2434                 0.5*(pr->posres.fcB[m] - pr->posres.fcA[m])*dx[m]*dx[m]
2435                 + fm*dpdl[m];
2436
2437             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2438             if (bForceValid)
2439             {
2440                 f[ai][m]    += fm;
2441                 vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm;
2442             }
2443         }
2444     }
2445
2446     return vtot;
2447 }
2448
2449 static real low_angres(int nbonds,
2450                        const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2451                        const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2452                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2453                        real lambda, real *dvdlambda,
2454                        gmx_bool bZAxis)
2455 {
2456     int  i, m, type, ai, aj, ak, al;
2457     int  t1, t2;
2458     real phi, cos_phi, cos_phi2, vid, vtot, dVdphi;
2459     rvec r_ij, r_kl, f_i, f_k = {0, 0, 0};
2460     real st, sth, nrij2, nrkl2, c, cij, ckl;
2461
2462     ivec dt;
2463     t2 = 0; /* avoid warning with gcc-3.3. It is never used uninitialized */
2464
2465     vtot = 0.0;
2466     ak   = al = 0; /* to avoid warnings */
2467     for (i = 0; i < nbonds; )
2468     {
2469         type = forceatoms[i++];
2470         ai   = forceatoms[i++];
2471         aj   = forceatoms[i++];
2472         t1   = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], r_ij);       /*  3               */
2473         if (!bZAxis)
2474         {
2475             ak   = forceatoms[i++];
2476             al   = forceatoms[i++];
2477             t2   = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], r_kl);  /*  3                */
2478         }
2479         else
2480         {
2481             r_kl[XX] = 0;
2482             r_kl[YY] = 0;
2483             r_kl[ZZ] = 1;
2484         }
2485
2486         cos_phi = cos_angle(r_ij, r_kl); /* 25          */
2487         phi     = acos(cos_phi);         /* 10           */
2488
2489         *dvdlambda += dopdihs_min(forceparams[type].pdihs.cpA,
2490                                   forceparams[type].pdihs.cpB,
2491                                   forceparams[type].pdihs.phiA,
2492                                   forceparams[type].pdihs.phiB,
2493                                   forceparams[type].pdihs.mult,
2494                                   phi, lambda, &vid, &dVdphi); /*  40  */
2495
2496         vtot += vid;
2497
2498         cos_phi2 = sqr(cos_phi);                /*   1          */
2499         if (cos_phi2 < 1)
2500         {
2501             st    = -dVdphi*gmx_invsqrt(1 - cos_phi2); /*  12           */
2502             sth   = st*cos_phi;                        /*   1           */
2503             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);                 /*   5           */
2504             nrkl2 = iprod(r_kl, r_kl);                 /*   5          */
2505
2506             c   = st*gmx_invsqrt(nrij2*nrkl2);         /*  11           */
2507             cij = sth/nrij2;                           /*  10           */
2508             ckl = sth/nrkl2;                           /*  10           */
2509
2510             for (m = 0; m < DIM; m++)                  /*  18+18       */
2511             {
2512                 f_i[m]    = (c*r_kl[m]-cij*r_ij[m]);
2513                 f[ai][m] += f_i[m];
2514                 f[aj][m] -= f_i[m];
2515                 if (!bZAxis)
2516                 {
2517                     f_k[m]    = (c*r_ij[m]-ckl*r_kl[m]);
2518                     f[ak][m] += f_k[m];
2519                     f[al][m] -= f_k[m];
2520                 }
2521             }
2522
2523             if (g)
2524             {
2525                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
2526                 t1 = IVEC2IS(dt);
2527             }
2528             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2529             rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_i);
2530             if (!bZAxis)
2531             {
2532                 if (g)
2533                 {
2534                     ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, al), dt);
2535                     t2 = IVEC2IS(dt);
2536                 }
2537                 rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2538                 rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_k);
2539             }
2540         }
2541     }
2542
2543     return vtot; /*  184 / 157 (bZAxis)  total  */
2544 }
2545
2546 real angres(int nbonds,
2547             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2548             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2549             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2550             real lambda, real *dvdlambda,
2551             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2552             int gmx_unused *global_atom_index)
2553 {
2554     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2555                       lambda, dvdlambda, FALSE);
2556 }
2557
2558 real angresz(int nbonds,
2559              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2560              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2561              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2562              real lambda, real *dvdlambda,
2563              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2564              int gmx_unused *global_atom_index)
2565 {
2566     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2567                       lambda, dvdlambda, TRUE);
2568 }
2569
2570 real dihres(int nbonds,
2571             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2572             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2573             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2574             real lambda, real *dvdlambda,
2575             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2576             int gmx_unused  *global_atom_index)
2577 {
2578     real vtot = 0;
2579     int  ai, aj, ak, al, i, k, type, t1, t2, t3;
2580     real phi0A, phi0B, dphiA, dphiB, kfacA, kfacB, phi0, dphi, kfac;
2581     real phi, ddphi, ddp, ddp2, dp, sign, d2r, fc, L1;
2582     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2583
2584     L1 = 1.0-lambda;
2585
2586     d2r = DEG2RAD;
2587     k   = 0;
2588
2589     for (i = 0; (i < nbonds); )
2590     {
2591         type = forceatoms[i++];
2592         ai   = forceatoms[i++];
2593         aj   = forceatoms[i++];
2594         ak   = forceatoms[i++];
2595         al   = forceatoms[i++];
2596
2597         phi0A  = forceparams[type].dihres.phiA*d2r;
2598         dphiA  = forceparams[type].dihres.dphiA*d2r;
2599         kfacA  = forceparams[type].dihres.kfacA;
2600
2601         phi0B  = forceparams[type].dihres.phiB*d2r;
2602         dphiB  = forceparams[type].dihres.dphiB*d2r;
2603         kfacB  = forceparams[type].dihres.kfacB;
2604
2605         phi0  = L1*phi0A + lambda*phi0B;
2606         dphi  = L1*dphiA + lambda*dphiB;
2607         kfac  = L1*kfacA + lambda*kfacB;
2608
2609         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2610                         &sign, &t1, &t2, &t3);
2611         /* 84 flops */
2612
2613         if (debug)
2614         {
2615             fprintf(debug, "dihres[%d]: %d %d %d %d : phi=%f, dphi=%f, kfac=%f\n",
2616                     k++, ai, aj, ak, al, phi0, dphi, kfac);
2617         }
2618         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2619          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2620          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2621          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2622          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2623          * the potential.
2624          */
2625         dp = phi-phi0;
2626         make_dp_periodic(&dp);
2627
2628         if (dp > dphi)
2629         {
2630             ddp = dp-dphi;
2631         }
2632         else if (dp < -dphi)
2633         {
2634             ddp = dp+dphi;
2635         }
2636         else
2637         {
2638             ddp = 0;
2639         }
2640
2641         if (ddp != 0.0)
2642         {
2643             ddp2  = ddp*ddp;
2644             vtot += 0.5*kfac*ddp2;
2645             ddphi = kfac*ddp;
2646
2647             *dvdlambda += 0.5*(kfacB - kfacA)*ddp2;
2648             /* lambda dependence from changing restraint distances */
2649             if (ddp > 0)
2650             {
2651                 *dvdlambda -= kfac*ddp*((dphiB - dphiA)+(phi0B - phi0A));
2652             }
2653             else if (ddp < 0)
2654             {
2655                 *dvdlambda += kfac*ddp*((dphiB - dphiA)-(phi0B - phi0A));
2656             }
2657             do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2658                        f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3);      /* 112           */
2659         }
2660     }
2661     return vtot;
2662 }
2663
2664
2665 real unimplemented(int gmx_unused nbonds,
2666                    const t_iatom gmx_unused forceatoms[], const t_iparams gmx_unused forceparams[],
2667                    const rvec gmx_unused x[], rvec gmx_unused f[], rvec gmx_unused fshift[],
2668                    const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph  gmx_unused *g,
2669                    real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2670                    const t_mdatoms  gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2671                    int gmx_unused *global_atom_index)
2672 {
2673     gmx_impl("*** you are using a not implemented function");
2674
2675     return 0.0; /* To make the compiler happy */
2676 }
2677
2678 real restrangles(int nbonds,
2679                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2680                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2681                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2682                  real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2683                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2684                  int gmx_unused *global_atom_index)
2685 {
2686     int  i, d, ai, aj, ak, type, m;
2687     int  t1, t2;
2688     rvec r_ij, r_kj;
2689     real v, vtot;
2690     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
2691     rvec f_i, f_j, f_k;
2692     real prefactor, ratio_ante, ratio_post;
2693     rvec delta_ante, delta_post, vec_temp;
2694
2695     vtot = 0.0;
2696     for (i = 0; (i < nbonds); )
2697     {
2698         type = forceatoms[i++];
2699         ai   = forceatoms[i++];
2700         aj   = forceatoms[i++];
2701         ak   = forceatoms[i++];
2702
2703         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], vec_temp);
2704         pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], delta_ante);
2705         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], delta_post);
2706
2707
2708         /* This function computes factors needed for restricted angle potential.
2709          * The restricted angle potential is used in coarse-grained simulations to avoid singularities
2710          * when three particles align and the dihedral angle and dihedral potential
2711          * cannot be calculated. This potential is calculated using the formula:
2712            real restrangles(int nbonds,
2713             const t_iatom forceatoms[],const t_iparams forceparams[],
2714             const rvec x[],rvec f[],rvec fshift[],
2715             const t_pbc *pbc,const t_graph *g,
2716             real gmx_unused lambda,real gmx_unused *dvdlambda,
2717             const t_mdatoms gmx_unused *md,t_fcdata gmx_unused *fcd,
2718             int gmx_unused *global_atom_index)
2719            {
2720            int  i, d, ai, aj, ak, type, m;
2721            int t1, t2;
2722            rvec r_ij,r_kj;
2723            real v, vtot;
2724            ivec jt,dt_ij,dt_kj;
2725            rvec f_i, f_j, f_k;
2726            real prefactor, ratio_ante, ratio_post;
2727            rvec delta_ante, delta_post, vec_temp;
2728
2729            vtot = 0.0;
2730            for(i=0; (i<nbonds); )
2731            {
2732            type = forceatoms[i++];
2733            ai   = forceatoms[i++];
2734            aj   = forceatoms[i++];
2735            ak   = forceatoms[i++];
2736
2737          * \f[V_{\rm ReB}(\theta_i) = \frac{1}{2} k_{\theta} \frac{(\cos\theta_i - \cos\theta_0)^2}
2738          * {\sin^2\theta_i}\f] ({eq:ReB} and ref \cite{MonicaGoga2013} from the manual).
2739          * For more explanations see comments file "restcbt.h". */
2740
2741         compute_factors_restangles(type, forceparams,  delta_ante, delta_post,
2742                                    &prefactor, &ratio_ante, &ratio_post, &v);
2743
2744         /*   Forces are computed per component */
2745         for (d = 0; d < DIM; d++)
2746         {
2747             f_i[d] = prefactor * (ratio_ante * delta_ante[d] - delta_post[d]);
2748             f_j[d] = prefactor * ((ratio_post + 1.0) * delta_post[d] - (ratio_ante + 1.0) * delta_ante[d]);
2749             f_k[d] = prefactor * (delta_ante[d] - ratio_post * delta_post[d]);
2750         }
2751
2752         /*   Computation of potential energy   */
2753
2754         vtot += v;
2755
2756         /*   Update forces */
2757
2758         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2759         {
2760             f[ai][m] += f_i[m];
2761             f[aj][m] += f_j[m];
2762             f[ak][m] += f_k[m];
2763         }
2764
2765         if (g)
2766         {
2767             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
2768             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
2769             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
2770             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
2771             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
2772         }
2773
2774         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2775         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
2776         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2777     }
2778     return vtot;
2779 }
2780
2781
2782 real restrdihs(int nbonds,
2783                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2784                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2785                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2786                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvlambda,
2787                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2788                int gmx_unused *global_atom_index)
2789 {
2790     int  i, d, type, ai, aj, ak, al;
2791     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
2792     rvec dx_jl;
2793     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
2794     int  t1, t2, t3;
2795     real v, vtot;
2796     rvec delta_ante,  delta_crnt, delta_post, vec_temp;
2797     real factor_phi_ai_ante, factor_phi_ai_crnt, factor_phi_ai_post;
2798     real factor_phi_aj_ante, factor_phi_aj_crnt, factor_phi_aj_post;
2799     real factor_phi_ak_ante, factor_phi_ak_crnt, factor_phi_ak_post;
2800     real factor_phi_al_ante, factor_phi_al_crnt, factor_phi_al_post;
2801     real prefactor_phi;
2802
2803
2804     vtot = 0.0;
2805     for (i = 0; (i < nbonds); )
2806     {
2807         type = forceatoms[i++];
2808         ai   = forceatoms[i++];
2809         aj   = forceatoms[i++];
2810         ak   = forceatoms[i++];
2811         al   = forceatoms[i++];
2812
2813         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], vec_temp);
2814         pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], delta_ante);
2815         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], delta_crnt);
2816         t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[al], vec_temp);
2817         pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], delta_post);
2818
2819         /* This function computes factors needed for restricted angle potential.
2820          * The restricted angle potential is used in coarse-grained simulations to avoid singularities
2821          * when three particles align and the dihedral angle and dihedral potential cannot be calculated.
2822          * This potential is calculated using the formula:
2823          * \f[V_{\rm ReB}(\theta_i) = \frac{1}{2} k_{\theta}
2824          * \frac{(\cos\theta_i - \cos\theta_0)^2}{\sin^2\theta_i}\f]
2825          * ({eq:ReB} and ref \cite{MonicaGoga2013} from the manual).
2826          * For more explanations see comments file "restcbt.h" */
2827
2828         compute_factors_restrdihs(type, forceparams,
2829                                   delta_ante, delta_crnt, delta_post,
2830                                   &factor_phi_ai_ante, &factor_phi_ai_crnt, &factor_phi_ai_post,
2831                                   &factor_phi_aj_ante, &factor_phi_aj_crnt, &factor_phi_aj_post,
2832                                   &factor_phi_ak_ante, &factor_phi_ak_crnt, &factor_phi_ak_post,
2833                                   &factor_phi_al_ante, &factor_phi_al_crnt, &factor_phi_al_post,
2834                                   &prefactor_phi, &v);
2835
2836
2837         /*      Computation of forces per component */
2838         for (d = 0; d < DIM; d++)
2839         {
2840             f_i[d] = prefactor_phi * (factor_phi_ai_ante * delta_ante[d] + factor_phi_ai_crnt * delta_crnt[d] + factor_phi_ai_post * delta_post[d]);
2841             f_j[d] = prefactor_phi * (factor_phi_aj_ante * delta_ante[d] + factor_phi_aj_crnt * delta_crnt[d] + factor_phi_aj_post * delta_post[d]);
2842             f_k[d] = prefactor_phi * (factor_phi_ak_ante * delta_ante[d] + factor_phi_ak_crnt * delta_crnt[d] + factor_phi_ak_post * delta_post[d]);
2843             f_l[d] = prefactor_phi * (factor_phi_al_ante * delta_ante[d] + factor_phi_al_crnt * delta_crnt[d] + factor_phi_al_post * delta_post[d]);
2844         }
2845         /*      Computation of the energy */
2846
2847         vtot += v;
2848
2849
2850
2851         /*    Updating the forces */
2852
2853         rvec_inc(f[ai], f_i);
2854         rvec_inc(f[aj], f_j);
2855         rvec_inc(f[ak], f_k);
2856         rvec_inc(f[al], f_l);
2857
2858
2859         /* Updating the fshift forces for the pressure coupling */
2860         if (g)
2861         {
2862             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
2863             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
2864             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
2865             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, al), jt, dt_lj);
2866             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
2867             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
2868             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
2869         }
2870         else if (pbc)
2871         {
2872             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[aj], dx_jl);
2873         }
2874         else
2875         {
2876             t3 = CENTRAL;
2877         }
2878
2879         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2880         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
2881         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2882         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
2883
2884     }
2885
2886     return vtot;
2887 }
2888
2889
2890 real cbtdihs(int nbonds,
2891              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2892              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2893              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2894              real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2895              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2896              int gmx_unused *global_atom_index)
2897 {
2898     int  type, ai, aj, ak, al, i, d;
2899     int  t1, t2, t3;
2900     real v, vtot;
2901     rvec vec_temp;
2902     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
2903     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
2904     rvec dx_jl;
2905     rvec delta_ante, delta_crnt, delta_post;
2906     rvec f_phi_ai, f_phi_aj, f_phi_ak, f_phi_al;
2907     rvec f_theta_ante_ai, f_theta_ante_aj, f_theta_ante_ak;
2908     rvec f_theta_post_aj, f_theta_post_ak, f_theta_post_al;
2909
2910
2911
2912
2913     vtot = 0.0;
2914     for (i = 0; (i < nbonds); )
2915     {
2916         type = forceatoms[i++];
2917         ai   = forceatoms[i++];
2918         aj   = forceatoms[i++];
2919         ak   = forceatoms[i++];
2920         al   = forceatoms[i++];
2921
2922
2923         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], vec_temp);
2924         pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], delta_ante);
2925         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], vec_temp);
2926         pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], delta_crnt);
2927         t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[al], vec_temp);
2928         pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], delta_post);
2929
2930         /* \brief Compute factors for CBT potential
2931          * The combined bending-torsion potential goes to zero in a very smooth manner, eliminating the numerical
2932          * instabilities, when three coarse-grained particles align and the dihedral angle and standard
2933          * dihedral potentials cannot be calculated. The CBT potential is calculated using the formula:
2934          * \f[V_{\rm CBT}(\theta_{i-1}, \theta_i, \phi_i) = k_{\phi} \sin^3\theta_{i-1} \sin^3\theta_{i}
2935          * \sum_{n=0}^4 { a_n \cos^n\phi_i}\f] ({eq:CBT} and ref \cite{MonicaGoga2013} from the manual).
2936          * It contains in its expression not only the dihedral angle \f$\phi\f$
2937          * but also \f[\theta_{i-1}\f] (theta_ante bellow) and \f[\theta_{i}\f] (theta_post bellow)
2938          * --- the adjacent bending angles.
2939          * For more explanations see comments file "restcbt.h". */
2940
2941         compute_factors_cbtdihs(type, forceparams, delta_ante, delta_crnt, delta_post,
2942                                 f_phi_ai, f_phi_aj, f_phi_ak, f_phi_al,
2943                                 f_theta_ante_ai, f_theta_ante_aj, f_theta_ante_ak,
2944                                 f_theta_post_aj, f_theta_post_ak, f_theta_post_al,
2945                                 &v);
2946
2947
2948         /*      Acumulate the resuts per beads */
2949         for (d = 0; d < DIM; d++)
2950         {
2951             f_i[d] = f_phi_ai[d] + f_theta_ante_ai[d];
2952             f_j[d] = f_phi_aj[d] + f_theta_ante_aj[d] + f_theta_post_aj[d];
2953             f_k[d] = f_phi_ak[d] + f_theta_ante_ak[d] + f_theta_post_ak[d];
2954             f_l[d] = f_phi_al[d] + f_theta_post_al[d];
2955         }
2956
2957         /*      Compute the potential energy */
2958
2959         vtot += v;
2960
2961
2962         /*  Updating the forces */
2963         rvec_inc(f[ai], f_i);
2964         rvec_inc(f[aj], f_j);
2965         rvec_inc(f[ak], f_k);
2966         rvec_inc(f[al], f_l);
2967
2968
2969         /* Updating the fshift forces for the pressure coupling */
2970         if (g)
2971         {
2972             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
2973             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
2974             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
2975             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, al), jt, dt_lj);
2976             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
2977             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
2978             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
2979         }
2980         else if (pbc)
2981         {
2982             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[aj], dx_jl);
2983         }
2984         else
2985         {
2986             t3 = CENTRAL;
2987         }
2988
2989         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2990         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
2991         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2992         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
2993     }
2994
2995     return vtot;
2996 }
2997
2998 real rbdihs(int nbonds,
2999             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3000             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3001             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3002             real lambda, real *dvdlambda,
3003             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3004             int gmx_unused *global_atom_index)
3005 {
3006     const real c0 = 0.0, c1 = 1.0, c2 = 2.0, c3 = 3.0, c4 = 4.0, c5 = 5.0;
3007     int        type, ai, aj, ak, al, i, j;
3008     int        t1, t2, t3;
3009     rvec       r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
3010     real       parmA[NR_RBDIHS];
3011     real       parmB[NR_RBDIHS];
3012     real       parm[NR_RBDIHS];
3013     real       cos_phi, phi, rbp, rbpBA;
3014     real       v, sign, ddphi, sin_phi;
3015     real       cosfac, vtot;
3016     real       L1        = 1.0-lambda;
3017     real       dvdl_term = 0;
3018
3019     vtot = 0.0;
3020     for (i = 0; (i < nbonds); )
3021     {
3022         type = forceatoms[i++];
3023         ai   = forceatoms[i++];
3024         aj   = forceatoms[i++];
3025         ak   = forceatoms[i++];
3026         al   = forceatoms[i++];
3027
3028         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3029                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
3030
3031         /* Change to polymer convention */
3032         if (phi < c0)
3033         {
3034             phi += M_PI;
3035         }
3036         else
3037         {
3038             phi -= M_PI;    /*   1              */
3039
3040         }
3041         cos_phi = cos(phi);
3042         /* Beware of accuracy loss, cannot use 1-sqrt(cos^2) ! */
3043         sin_phi = sin(phi);
3044
3045         for (j = 0; (j < NR_RBDIHS); j++)
3046         {
3047             parmA[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcA[j];
3048             parmB[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcB[j];
3049             parm[j]  = L1*parmA[j]+lambda*parmB[j];
3050         }
3051         /* Calculate cosine powers */
3052         /* Calculate the energy */
3053         /* Calculate the derivative */
3054
3055         v            = parm[0];
3056         dvdl_term   += (parmB[0]-parmA[0]);
3057         ddphi        = c0;
3058         cosfac       = c1;
3059
3060         rbp          = parm[1];
3061         rbpBA        = parmB[1]-parmA[1];
3062         ddphi       += rbp*cosfac;
3063         cosfac      *= cos_phi;
3064         v           += cosfac*rbp;
3065         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3066         rbp          = parm[2];
3067         rbpBA        = parmB[2]-parmA[2];
3068         ddphi       += c2*rbp*cosfac;
3069         cosfac      *= cos_phi;
3070         v           += cosfac*rbp;
3071         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3072         rbp          = parm[3];
3073         rbpBA        = parmB[3]-parmA[3];
3074         ddphi       += c3*rbp*cosfac;
3075         cosfac      *= cos_phi;
3076         v           += cosfac*rbp;
3077         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3078         rbp          = parm[4];
3079         rbpBA        = parmB[4]-parmA[4];
3080         ddphi       += c4*rbp*cosfac;
3081         cosfac      *= cos_phi;
3082         v           += cosfac*rbp;
3083         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3084         rbp          = parm[5];
3085         rbpBA        = parmB[5]-parmA[5];
3086         ddphi       += c5*rbp*cosfac;
3087         cosfac      *= cos_phi;
3088         v           += cosfac*rbp;
3089         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3090
3091         ddphi = -ddphi*sin_phi;         /*  11          */
3092
3093         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3094                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
3095         vtot += v;
3096     }
3097     *dvdlambda += dvdl_term;
3098
3099     return vtot;
3100 }
3101
3102 int cmap_setup_grid_index(int ip, int grid_spacing, int *ipm1, int *ipp1, int *ipp2)
3103 {
3104     int im1, ip1, ip2;
3105
3106     if (ip < 0)
3107     {
3108         ip = ip + grid_spacing - 1;
3109     }
3110     else if (ip > grid_spacing)
3111     {
3112         ip = ip - grid_spacing - 1;
3113     }
3114
3115     im1 = ip - 1;
3116     ip1 = ip + 1;
3117     ip2 = ip + 2;
3118
3119     if (ip == 0)
3120     {
3121         im1 = grid_spacing - 1;
3122     }
3123     else if (ip == grid_spacing-2)
3124     {
3125         ip2 = 0;
3126     }
3127     else if (ip == grid_spacing-1)
3128     {
3129         ip1 = 0;
3130         ip2 = 1;
3131     }
3132
3133     *ipm1 = im1;
3134     *ipp1 = ip1;
3135     *ipp2 = ip2;
3136
3137     return ip;
3138
3139 }
3140
3141 real cmap_dihs(int nbonds,
3142                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3143                const gmx_cmap_t *cmap_grid,
3144                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3145                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3146                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3147                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3148                int  gmx_unused *global_atom_index)
3149 {
3150     int         i, j, k, n, idx;
3151     int         ai, aj, ak, al, am;
3152     int         a1i, a1j, a1k, a1l, a2i, a2j, a2k, a2l;
3153     int         type, cmapA;
3154     int         t11, t21, t31, t12, t22, t32;
3155     int         iphi1, ip1m1, ip1p1, ip1p2;
3156     int         iphi2, ip2m1, ip2p1, ip2p2;
3157     int         l1, l2, l3, l4;
3158     int         pos1, pos2, pos3, pos4, tmp;
3159
3160     real        ty[4], ty1[4], ty2[4], ty12[4], tc[16], tx[16];
3161     real        phi1, psi1, cos_phi1, sin_phi1, sign1, xphi1;
3162     real        phi2, psi2, cos_phi2, sin_phi2, sign2, xphi2;
3163     real        dx, xx, tt, tu, e, df1, df2, ddf1, ddf2, ddf12, vtot;
3164     real        ra21, rb21, rg21, rg1, rgr1, ra2r1, rb2r1, rabr1;
3165     real        ra22, rb22, rg22, rg2, rgr2, ra2r2, rb2r2, rabr2;
3166     real        fg1, hg1, fga1, hgb1, gaa1, gbb1;
3167     real        fg2, hg2, fga2, hgb2, gaa2, gbb2;
3168     real        fac;
3169
3170     rvec        r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1;
3171     rvec        r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2;
3172     rvec        f1_i, f1_j, f1_k, f1_l;
3173     rvec        f2_i, f2_j, f2_k, f2_l;
3174     rvec        a1, b1, a2, b2;
3175     rvec        f1, g1, h1, f2, g2, h2;
3176     rvec        dtf1, dtg1, dth1, dtf2, dtg2, dth2;
3177     ivec        jt1, dt1_ij, dt1_kj, dt1_lj;
3178     ivec        jt2, dt2_ij, dt2_kj, dt2_lj;
3179
3180     const real *cmapd;
3181
3182     int         loop_index[4][4] = {
3183         {0, 4, 8, 12},
3184         {1, 5, 9, 13},
3185         {2, 6, 10, 14},
3186         {3, 7, 11, 15}
3187     };
3188
3189     /* Total CMAP energy */
3190     vtot = 0;
3191
3192     for (n = 0; n < nbonds; )
3193     {
3194         /* Five atoms are involved in the two torsions */
3195         type   = forceatoms[n++];
3196         ai     = forceatoms[n++];
3197         aj     = forceatoms[n++];
3198         ak     = forceatoms[n++];
3199         al     = forceatoms[n++];
3200         am     = forceatoms[n++];
3201
3202         /* Which CMAP type is this */
3203         cmapA = forceparams[type].cmap.cmapA;
3204         cmapd = cmap_grid->cmapdata[cmapA].cmap;
3205
3206         /* First torsion */
3207         a1i   = ai;
3208         a1j   = aj;
3209         a1k   = ak;
3210         a1l   = al;
3211
3212         phi1  = dih_angle(x[a1i], x[a1j], x[a1k], x[a1l], pbc, r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1,
3213                           &sign1, &t11, &t21, &t31);  /* 84 */
3214
3215         cos_phi1 = cos(phi1);
3216
3217         a1[0] = r1_ij[1]*r1_kj[2]-r1_ij[2]*r1_kj[1];
3218         a1[1] = r1_ij[2]*r1_kj[0]-r1_ij[0]*r1_kj[2];
3219         a1[2] = r1_ij[0]*r1_kj[1]-r1_ij[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
3220
3221         b1[0] = r1_kl[1]*r1_kj[2]-r1_kl[2]*r1_kj[1];
3222         b1[1] = r1_kl[2]*r1_kj[0]-r1_kl[0]*r1_kj[2];
3223         b1[2] = r1_kl[0]*r1_kj[1]-r1_kl[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
3224
3225         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1k], h1);
3226
3227         ra21  = iprod(a1, a1);       /* 5 */
3228         rb21  = iprod(b1, b1);       /* 5 */
3229         rg21  = iprod(r1_kj, r1_kj); /* 5 */
3230         rg1   = sqrt(rg21);
3231
3232         rgr1  = 1.0/rg1;
3233         ra2r1 = 1.0/ra21;
3234         rb2r1 = 1.0/rb21;
3235         rabr1 = sqrt(ra2r1*rb2r1);
3236
3237         sin_phi1 = rg1 * rabr1 * iprod(a1, h1) * (-1);
3238
3239         if (cos_phi1 < -0.5 || cos_phi1 > 0.5)
3240         {
3241             phi1 = asin(sin_phi1);
3242
3243             if (cos_phi1 < 0)
3244             {
3245                 if (phi1 > 0)
3246                 {
3247                     phi1 = M_PI - phi1;
3248                 }
3249                 else
3250                 {
3251                     phi1 = -M_PI - phi1;
3252                 }
3253             }
3254         }
3255         else
3256         {
3257             phi1 = acos(cos_phi1);
3258
3259             if (sin_phi1 < 0)
3260             {
3261                 phi1 = -phi1;
3262             }
3263         }
3264
3265         xphi1 = phi1 + M_PI; /* 1 */
3266
3267         /* Second torsion */
3268         a2i   = aj;
3269         a2j   = ak;
3270         a2k   = al;
3271         a2l   = am;
3272
3273         phi2  = dih_angle(x[a2i], x[a2j], x[a2k], x[a2l], pbc, r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2,
3274                           &sign2, &t12, &t22, &t32); /* 84 */
3275
3276         cos_phi2 = cos(phi2);
3277
3278         a2[0] = r2_ij[1]*r2_kj[2]-r2_ij[2]*r2_kj[1];
3279         a2[1] = r2_ij[2]*r2_kj[0]-r2_ij[0]*r2_kj[2];
3280         a2[2] = r2_ij[0]*r2_kj[1]-r2_ij[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
3281
3282         b2[0] = r2_kl[1]*r2_kj[2]-r2_kl[2]*r2_kj[1];
3283         b2[1] = r2_kl[2]*r2_kj[0]-r2_kl[0]*r2_kj[2];
3284         b2[2] = r2_kl[0]*r2_kj[1]-r2_kl[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
3285
3286         tmp = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2k], h2);
3287
3288         ra22  = iprod(a2, a2);         /* 5 */
3289         rb22  = iprod(b2, b2);         /* 5 */
3290         rg22  = iprod(r2_kj, r2_kj);   /* 5 */
3291         rg2   = sqrt(rg22);
3292
3293         rgr2  = 1.0/rg2;
3294         ra2r2 = 1.0/ra22;
3295         rb2r2 = 1.0/rb22;
3296         rabr2 = sqrt(ra2r2*rb2r2);
3297
3298         sin_phi2 = rg2 * rabr2 * iprod(a2, h2) * (-1);
3299
3300         if (cos_phi2 < -0.5 || cos_phi2 > 0.5)
3301         {
3302             phi2 = asin(sin_phi2);
3303
3304             if (cos_phi2 < 0)
3305             {
3306                 if (phi2 > 0)
3307                 {
3308                     phi2 = M_PI - phi2;
3309                 }
3310                 else
3311                 {
3312                     phi2 = -M_PI - phi2;
3313                 }
3314             }
3315         }
3316         else
3317         {
3318             phi2 = acos(cos_phi2);
3319
3320             if (sin_phi2 < 0)
3321             {
3322                 phi2 = -phi2;
3323             }
3324         }
3325
3326         xphi2 = phi2 + M_PI; /* 1 */
3327
3328         /* Range mangling */
3329         if (xphi1 < 0)
3330         {
3331             xphi1 = xphi1 + 2*M_PI;
3332         }
3333         else if (xphi1 >= 2*M_PI)
3334         {
3335             xphi1 = xphi1 - 2*M_PI;
3336         }
3337
3338         if (xphi2 < 0)
3339         {
3340             xphi2 = xphi2 + 2*M_PI;
3341         }
3342         else if (xphi2 >= 2*M_PI)
3343         {
3344             xphi2 = xphi2 - 2*M_PI;
3345         }
3346
3347         /* Number of grid points */
3348         dx = 2*M_PI / cmap_grid->grid_spacing;
3349
3350         /* Where on the grid are we */
3351         iphi1 = (int)(xphi1/dx);
3352         iphi2 = (int)(xphi2/dx);
3353
3354         iphi1 = cmap_setup_grid_index(iphi1, cmap_grid->grid_spacing, &ip1m1, &ip1p1, &ip1p2);
3355         iphi2 = cmap_setup_grid_index(iphi2, cmap_grid->grid_spacing, &ip2m1, &ip2p1, &ip2p2);
3356
3357         pos1    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3358         pos2    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3359         pos3    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3360         pos4    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3361
3362         ty[0]   = cmapd[pos1*4];
3363         ty[1]   = cmapd[pos2*4];
3364         ty[2]   = cmapd[pos3*4];
3365         ty[3]   = cmapd[pos4*4];
3366
3367         ty1[0]   = cmapd[pos1*4+1];
3368         ty1[1]   = cmapd[pos2*4+1];
3369         ty1[2]   = cmapd[pos3*4+1];
3370         ty1[3]   = cmapd[pos4*4+1];
3371
3372         ty2[0]   = cmapd[pos1*4+2];
3373         ty2[1]   = cmapd[pos2*4+2];
3374         ty2[2]   = cmapd[pos3*4+2];
3375         ty2[3]   = cmapd[pos4*4+2];
3376
3377         ty12[0]   = cmapd[pos1*4+3];
3378         ty12[1]   = cmapd[pos2*4+3];
3379         ty12[2]   = cmapd[pos3*4+3];
3380         ty12[3]   = cmapd[pos4*4+3];
3381
3382         /* Switch to degrees */
3383         dx    = 360.0 / cmap_grid->grid_spacing;
3384         xphi1 = xphi1 * RAD2DEG;
3385         xphi2 = xphi2 * RAD2DEG;
3386
3387         for (i = 0; i < 4; i++) /* 16 */
3388         {
3389             tx[i]    = ty[i];
3390             tx[i+4]  = ty1[i]*dx;
3391             tx[i+8]  = ty2[i]*dx;
3392             tx[i+12] = ty12[i]*dx*dx;
3393         }
3394
3395         idx = 0;
3396         for (i = 0; i < 4; i++) /* 1056 */
3397         {
3398             for (j = 0; j < 4; j++)
3399             {
3400                 xx = 0;
3401                 for (k = 0; k < 16; k++)
3402                 {
3403                     xx = xx + cmap_coeff_matrix[k*16+idx]*tx[k];
3404                 }
3405
3406                 idx++;
3407                 tc[i*4+j] = xx;
3408             }
3409         }
3410
3411         tt    = (xphi1-iphi1*dx)/dx;
3412         tu    = (xphi2-iphi2*dx)/dx;
3413
3414         e     = 0;
3415         df1   = 0;
3416         df2   = 0;
3417         ddf1  = 0;
3418         ddf2  = 0;
3419         ddf12 = 0;
3420
3421         for (i = 3; i >= 0; i--)
3422         {
3423             l1 = loop_index[i][3];
3424             l2 = loop_index[i][2];
3425             l3 = loop_index[i][1];
3426
3427             e     = tt * e    + ((tc[i*4+3]*tu+tc[i*4+2])*tu + tc[i*4+1])*tu+tc[i*4];
3428             df1   = tu * df1  + (3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2])*tt+tc[l3];
3429             df2   = tt * df2  + (3.0*tc[i*4+3]*tu+2.0*tc[i*4+2])*tu+tc[i*4+1];
3430             ddf1  = tu * ddf1 + 2.0*3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2];
3431             ddf2  = tt * ddf2 + 2.0*3.0*tc[4*i+3]*tu+2.0*tc[4*i+2];
3432         }
3433
3434         ddf12 = tc[5] + 2.0*tc[9]*tt + 3.0*tc[13]*tt*tt + 2.0*tu*(tc[6]+2.0*tc[10]*tt+3.0*tc[14]*tt*tt) +
3435             3.0*tu*tu*(tc[7]+2.0*tc[11]*tt+3.0*tc[15]*tt*tt);
3436
3437         fac     = RAD2DEG/dx;
3438         df1     = df1   * fac;
3439         df2     = df2   * fac;
3440         ddf1    = ddf1  * fac * fac;
3441         ddf2    = ddf2  * fac * fac;
3442         ddf12   = ddf12 * fac * fac;
3443
3444         /* CMAP energy */
3445         vtot += e;
3446
3447         /* Do forces - first torsion */
3448         fg1       = iprod(r1_ij, r1_kj);
3449         hg1       = iprod(r1_kl, r1_kj);
3450         fga1      = fg1*ra2r1*rgr1;
3451         hgb1      = hg1*rb2r1*rgr1;
3452         gaa1      = -ra2r1*rg1;
3453         gbb1      = rb2r1*rg1;
3454
3455         for (i = 0; i < DIM; i++)
3456         {
3457             dtf1[i]   = gaa1 * a1[i];
3458             dtg1[i]   = fga1 * a1[i] - hgb1 * b1[i];
3459             dth1[i]   = gbb1 * b1[i];
3460
3461             f1[i]     = df1  * dtf1[i];
3462             g1[i]     = df1  * dtg1[i];
3463             h1[i]     = df1  * dth1[i];
3464
3465             f1_i[i]   =  f1[i];
3466             f1_j[i]   = -f1[i] - g1[i];
3467             f1_k[i]   =  h1[i] + g1[i];
3468             f1_l[i]   = -h1[i];
3469
3470             f[a1i][i] = f[a1i][i] + f1_i[i];
3471             f[a1j][i] = f[a1j][i] + f1_j[i]; /* - f1[i] - g1[i] */
3472             f[a1k][i] = f[a1k][i] + f1_k[i]; /* h1[i] + g1[i] */
3473             f[a1l][i] = f[a1l][i] + f1_l[i]; /* h1[i] */
3474         }
3475
3476         /* Do forces - second torsion */
3477         fg2       = iprod(r2_ij, r2_kj);
3478         hg2       = iprod(r2_kl, r2_kj);
3479         fga2      = fg2*ra2r2*rgr2;
3480         hgb2      = hg2*rb2r2*rgr2;
3481         gaa2      = -ra2r2*rg2;
3482         gbb2      = rb2r2*rg2;
3483
3484         for (i = 0; i < DIM; i++)
3485         {
3486             dtf2[i]   = gaa2 * a2[i];
3487             dtg2[i]   = fga2 * a2[i] - hgb2 * b2[i];
3488             dth2[i]   = gbb2 * b2[i];
3489
3490             f2[i]     = df2  * dtf2[i];
3491             g2[i]     = df2  * dtg2[i];
3492             h2[i]     = df2  * dth2[i];
3493
3494             f2_i[i]   =  f2[i];
3495             f2_j[i]   = -f2[i] - g2[i];
3496             f2_k[i]   =  h2[i] + g2[i];
3497             f2_l[i]   = -h2[i];
3498
3499             f[a2i][i] = f[a2i][i] + f2_i[i]; /* f2[i] */
3500             f[a2j][i] = f[a2j][i] + f2_j[i]; /* - f2[i] - g2[i] */
3501             f[a2k][i] = f[a2k][i] + f2_k[i]; /* h2[i] + g2[i] */
3502             f[a2l][i] = f[a2l][i] + f2_l[i]; /* - h2[i] */
3503         }
3504
3505         /* Shift forces */
3506         if (g)
3507         {
3508             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a1j), jt1);
3509             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1i),  jt1, dt1_ij);
3510             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1k),  jt1, dt1_kj);
3511             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1l),  jt1, dt1_lj);
3512             t11 = IVEC2IS(dt1_ij);
3513             t21 = IVEC2IS(dt1_kj);
3514             t31 = IVEC2IS(dt1_lj);
3515
3516             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a2j), jt2);
3517             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2i),  jt2, dt2_ij);
3518             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2k),  jt2, dt2_kj);
3519             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2l),  jt2, dt2_lj);
3520             t12 = IVEC2IS(dt2_ij);
3521             t22 = IVEC2IS(dt2_kj);
3522             t32 = IVEC2IS(dt2_lj);
3523         }
3524         else if (pbc)
3525         {
3526             t31 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1j], h1);
3527             t32 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2j], h2);
3528         }
3529         else
3530         {
3531             t31 = CENTRAL;
3532             t32 = CENTRAL;
3533         }
3534
3535         rvec_inc(fshift[t11], f1_i);
3536         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f1_j);
3537         rvec_inc(fshift[t21], f1_k);
3538         rvec_inc(fshift[t31], f1_l);
3539
3540         rvec_inc(fshift[t21], f2_i);
3541         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f2_j);
3542         rvec_inc(fshift[t22], f2_k);
3543         rvec_inc(fshift[t32], f2_l);
3544     }
3545     return vtot;
3546 }
3547
3548
3549
3550 /***********************************************************
3551  *
3552  *   G R O M O S  9 6   F U N C T I O N S
3553  *
3554  ***********************************************************/
3555 real g96harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
3556                  real *V, real *F)
3557 {
3558     const real half = 0.5;
3559     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
3560     real       v, f, dvdlambda;
3561
3562     L1    = 1.0-lambda;
3563     kk    = L1*kA+lambda*kB;
3564     x0    = L1*xA+lambda*xB;
3565
3566     dx    = x-x0;
3567     dx2   = dx*dx;
3568
3569     f          = -kk*dx;
3570     v          = half*kk*dx2;
3571     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
3572
3573     *F    = f;
3574     *V    = v;
3575
3576     return dvdlambda;
3577
3578     /* That was 21 flops */
3579 }
3580
3581 real g96bonds(int nbonds,
3582               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3583               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3584               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3585               real lambda, real *dvdlambda,
3586               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3587               int gmx_unused *global_atom_index)
3588 {
3589     int  i, m, ki, ai, aj, type;
3590     real dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3591     rvec dx;
3592     ivec dt;
3593
3594     vtot = 0.0;
3595     for (i = 0; (i < nbonds); )
3596     {
3597         type = forceatoms[i++];
3598         ai   = forceatoms[i++];
3599         aj   = forceatoms[i++];
3600
3601         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3602         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3603
3604         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3605                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3606                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3607                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3608                                   dr2, lambda, &vbond, &fbond);
3609
3610         vtot  += 0.5*vbond;                         /* 1*/
3611 #ifdef DEBUG
3612         if (debug)
3613         {
3614             fprintf(debug, "G96-BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3615                     sqrt(dr2), vbond, fbond);
3616         }
3617 #endif
3618
3619         if (g)
3620         {
3621             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3622             ki = IVEC2IS(dt);
3623         }
3624         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3625         {
3626             fij                 = fbond*dx[m];
3627             f[ai][m]           += fij;
3628             f[aj][m]           -= fij;
3629             fshift[ki][m]      += fij;
3630             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3631         }
3632     }               /* 44 TOTAL */
3633     return vtot;
3634 }
3635
3636 real g96bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
3637                    rvec r_ij, rvec r_kj,
3638                    int *t1, int *t2)
3639 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
3640 {
3641     real costh;
3642
3643     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
3644     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
3645
3646     costh = cos_angle(r_ij, r_kj);         /* 25                */
3647     /* 41 TOTAL */
3648     return costh;
3649 }
3650
3651 real g96angles(int nbonds,
3652                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3653                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3654                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3655                real lambda, real *dvdlambda,
3656                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3657                int gmx_unused *global_atom_index)
3658 {
3659     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3660     rvec r_ij, r_kj;
3661     real cos_theta, dVdt, va, vtot;
3662     real rij_1, rij_2, rkj_1, rkj_2, rijrkj_1;
3663     rvec f_i, f_j, f_k;
3664     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3665
3666     vtot = 0.0;
3667     for (i = 0; (i < nbonds); )
3668     {
3669         type = forceatoms[i++];
3670         ai   = forceatoms[i++];
3671         aj   = forceatoms[i++];
3672         ak   = forceatoms[i++];
3673
3674         cos_theta  = g96bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc, r_ij, r_kj, &t1, &t2);
3675
3676         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3677                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3678                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3679                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3680                                   cos_theta, lambda, &va, &dVdt);
3681         vtot    += va;
3682
3683         rij_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_ij, r_ij));
3684         rkj_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_kj, r_kj));
3685         rij_2    = rij_1*rij_1;
3686         rkj_2    = rkj_1*rkj_1;
3687         rijrkj_1 = rij_1*rkj_1;                 /* 23 */
3688
3689 #ifdef DEBUG
3690         if (debug)
3691         {
3692             fprintf(debug, "G96ANGLES: costheta = %10g  vth = %10g  dV/dct = %10g\n",
3693                     cos_theta, va, dVdt);
3694         }
3695 #endif
3696         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  42  */
3697         {
3698             f_i[m]    = dVdt*(r_kj[m]*rijrkj_1 - r_ij[m]*rij_2*cos_theta);
3699             f_k[m]    = dVdt*(r_ij[m]*rijrkj_1 - r_kj[m]*rkj_2*cos_theta);
3700             f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3701             f[ai][m] += f_i[m];
3702             f[aj][m] += f_j[m];
3703             f[ak][m] += f_k[m];
3704         }
3705
3706         if (g)
3707         {
3708             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3709
3710             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3711             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3712             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3713             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3714         }
3715         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3716         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3717         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3718         /* 163 TOTAL    */
3719     }
3720     return vtot;
3721 }
3722
3723 real cross_bond_bond(int nbonds,
3724                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3725                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3726                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3727                      real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3728                      const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused  *fcd,
3729                      int gmx_unused *global_atom_index)
3730 {
3731     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3732      * pp. 842-847
3733      */
3734     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3735     rvec r_ij, r_kj;
3736     real vtot, vrr, s1, s2, r1, r2, r1e, r2e, krr;
3737     rvec f_i, f_j, f_k;
3738     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3739
3740     vtot = 0.0;
3741     for (i = 0; (i < nbonds); )
3742     {
3743         type = forceatoms[i++];
3744         ai   = forceatoms[i++];
3745         aj   = forceatoms[i++];
3746         ak   = forceatoms[i++];
3747         r1e  = forceparams[type].cross_bb.r1e;
3748         r2e  = forceparams[type].cross_bb.r2e;
3749         krr  = forceparams[type].cross_bb.krr;
3750
3751         /* Compute distance vectors ... */
3752         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3753         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3754
3755         /* ... and their lengths */
3756         r1 = norm(r_ij);
3757         r2 = norm(r_kj);
3758
3759         /* Deviations from ideality */
3760         s1 = r1-r1e;
3761         s2 = r2-r2e;
3762
3763         /* Energy (can be negative!) */
3764         vrr   = krr*s1*s2;
3765         vtot += vrr;
3766
3767         /* Forces */
3768         svmul(-krr*s2/r1, r_ij, f_i);
3769         svmul(-krr*s1/r2, r_kj, f_k);
3770
3771         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3772         {
3773             f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
3774             f[ai][m] += f_i[m];
3775             f[aj][m] += f_j[m];
3776             f[ak][m] += f_k[m];
3777         }
3778
3779         /* Virial stuff */
3780         if (g)
3781         {
3782             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3783
3784             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3785             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3786             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3787             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3788         }
3789         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3790         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3791         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3792         /* 163 TOTAL    */
3793     }
3794     return vtot;
3795 }
3796
3797 real cross_bond_angle(int nbonds,
3798                       const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3799                       const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3800                       const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3801                       real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3802                       const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3803                       int gmx_unused *global_atom_index)
3804 {
3805     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3806      * pp. 842-847
3807      */
3808     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2, t3;
3809     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
3810     real vtot, vrt, s1, s2, s3, r1, r2, r3, r1e, r2e, r3e, krt, k1, k2, k3;
3811     rvec f_i, f_j, f_k;
3812     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3813
3814     vtot = 0.0;
3815     for (i = 0; (i < nbonds); )
3816     {
3817         type = forceatoms[i++];
3818         ai   = forceatoms[i++];
3819         aj   = forceatoms[i++];
3820         ak   = forceatoms[i++];
3821         r1e  = forceparams[type].cross_ba.r1e;
3822         r2e  = forceparams[type].cross_ba.r2e;
3823         r3e  = forceparams[type].cross_ba.r3e;
3824         krt  = forceparams[type].cross_ba.krt;
3825
3826         /* Compute distance vectors ... */
3827         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3828         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3829         t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);
3830
3831         /* ... and their lengths */
3832         r1 = norm(r_ij);
3833         r2 = norm(r_kj);
3834         r3 = norm(r_ik);
3835
3836         /* Deviations from ideality */
3837         s1 = r1-r1e;
3838         s2 = r2-r2e;
3839         s3 = r3-r3e;
3840
3841         /* Energy (can be negative!) */
3842         vrt   = krt*s3*(s1+s2);
3843         vtot += vrt;
3844
3845         /* Forces */
3846         k1 = -krt*(s3/r1);
3847         k2 = -krt*(s3/r2);
3848         k3 = -krt*(s1+s2)/r3;
3849         for (m = 0; (m < DIM); m++)
3850         {
3851             f_i[m] = k1*r_ij[m] + k3*r_ik[m];
3852             f_k[m] = k2*r_kj[m] - k3*r_ik[m];
3853             f_j[m] = -f_i[m] - f_k[m];
3854         }
3855
3856         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3857         {
3858             f[ai][m] += f_i[m];
3859             f[aj][m] += f_j[m];
3860             f[ak][m] += f_k[m];
3861         }
3862
3863         /* Virial stuff */
3864         if (g)
3865         {
3866             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3867
3868             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3869             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3870             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3871             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3872         }
3873         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3874         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3875         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3876         /* 163 TOTAL    */
3877     }
3878     return vtot;
3879 }
3880
3881 static real bonded_tab(const char *type, int table_nr,
3882                        const bondedtable_t *table, real kA, real kB, real r,
3883                        real lambda, real *V, real *F)
3884 {
3885     real k, tabscale, *VFtab, rt, eps, eps2, Yt, Ft, Geps, Heps2, Fp, VV, FF;
3886     int  n0, nnn;
3887     real v, f, dvdlambda;
3888
3889     k = (1.0 - lambda)*kA + lambda*kB;
3890
3891     tabscale = table->scale;
3892     VFtab    = table->data;
3893
3894     rt    = r*tabscale;
3895     n0    = rt;
3896     if (n0 >= table->n)
3897     {
3898         gmx_fatal(FARGS, "A tabulated %s interaction table number %d is out of the table range: r %f, between table indices %d and %d, table length %d",
3899                   type, table_nr, r, n0, n0+1, table->n);
3900     }
3901     eps   = rt - n0;
3902     eps2  = eps*eps;
3903     nnn   = 4*n0;
3904     Yt    = VFtab[nnn];
3905     Ft    = VFtab[nnn+1];
3906     Geps  = VFtab[nnn+2]*eps;
3907     Heps2 = VFtab[nnn+3]*eps2;
3908     Fp    = Ft + Geps + Heps2;
3909     VV    = Yt + Fp*eps;
3910     FF    = Fp + Geps + 2.0*Heps2;
3911
3912     *F         = -k*FF*tabscale;
3913     *V         = k*VV;
3914     dvdlambda  = (kB - kA)*VV;
3915
3916     return dvdlambda;
3917
3918     /* That was 22 flops */
3919 }
3920
3921 real tab_bonds(int nbonds,
3922                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3923                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3924                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3925                real lambda, real *dvdlambda,
3926                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
3927                int gmx_unused  *global_atom_index)
3928 {
3929     int  i, m, ki, ai, aj, type, table;
3930     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3931     rvec dx;
3932     ivec dt;
3933
3934     vtot = 0.0;
3935     for (i = 0; (i < nbonds); )
3936     {
3937         type = forceatoms[i++];
3938         ai   = forceatoms[i++];
3939         aj   = forceatoms[i++];
3940
3941         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3942         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3943         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
3944
3945         table = forceparams[type].tab.table;
3946
3947         *dvdlambda += bonded_tab("bond", table,
3948                                  &fcd->bondtab[table],
3949                                  forceparams[type].tab.kA,
3950                                  forceparams[type].tab.kB,
3951                                  dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  22 */
3952
3953         if (dr2 == 0.0)
3954         {
3955             continue;
3956         }
3957
3958
3959         vtot  += vbond;            /* 1*/
3960         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
3961 #ifdef DEBUG
3962         if (debug)
3963         {
3964             fprintf(debug, "TABBONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3965                     dr, vbond, fbond);
3966         }
3967 #endif
3968         if (g)
3969         {
3970             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3971             ki = IVEC2IS(dt);
3972         }
3973         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3974         {
3975             fij                 = fbond*dx[m];
3976             f[ai][m]           += fij;
3977             f[aj][m]           -= fij;
3978             fshift[ki][m]      += fij;
3979             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3980         }
3981     }               /* 62 TOTAL */
3982     return vtot;
3983 }
3984
3985 real tab_angles(int nbonds,
3986                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3987                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3988                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3989                 real lambda, real *dvdlambda,
3990                 const t_mdatoms gmx_unused  *md, t_fcdata *fcd,
3991                 int gmx_unused *global_atom_index)
3992 {
3993     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type, table;
3994     rvec r_ij, r_kj;
3995     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
3996     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3997
3998     vtot = 0.0;
3999     for (i = 0; (i < nbonds); )
4000     {
4001         type = forceatoms[i++];
4002         ai   = forceatoms[i++];
4003         aj   = forceatoms[i++];
4004         ak   = forceatoms[i++];
4005
4006         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
4007                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
4008
4009         table = forceparams[type].tab.table;
4010
4011         *dvdlambda += bonded_tab("angle", table,
4012                                  &fcd->angletab[table],
4013                                  forceparams[type].tab.kA,
4014                                  forceparams[type].tab.kB,
4015                                  theta, lambda, &va, &dVdt); /*  22  */
4016         vtot += va;
4017
4018         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
4019         if (cos_theta2 < 1)
4020         {
4021             int  m;
4022             real snt, st, sth;
4023             real cik, cii, ckk;
4024             real nrkj2, nrij2;
4025             rvec f_i, f_j, f_k;
4026
4027             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
4028             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
4029 #ifdef DEBUG
4030             if (debug)
4031             {
4032                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
4033                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
4034             }
4035 #endif
4036             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
4037             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
4038
4039             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
4040             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
4041             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
4042
4043             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
4044             {
4045                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
4046                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
4047                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
4048                 f[ai][m] += f_i[m];
4049                 f[aj][m] += f_j[m];
4050                 f[ak][m] += f_k[m];
4051             }
4052             if (g)
4053             {
4054                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
4055
4056                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
4057                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
4058                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
4059                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
4060             }
4061             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
4062             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
4063             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
4064         }                                       /* 169 TOTAL    */
4065     }
4066     return vtot;
4067 }
4068
4069 real tab_dihs(int nbonds,
4070               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
4071               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4072               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4073               real lambda, real *dvdlambda,
4074               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
4075               int gmx_unused *global_atom_index)
4076 {
4077     int  i, type, ai, aj, ak, al, table;
4078     int  t1, t2, t3;
4079     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
4080     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
4081
4082     vtot = 0.0;
4083     for (i = 0; (i < nbonds); )
4084     {
4085         type = forceatoms[i++];
4086         ai   = forceatoms[i++];
4087         aj   = forceatoms[i++];
4088         ak   = forceatoms[i++];
4089         al   = forceatoms[i++];
4090
4091         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
4092                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84  */
4093
4094         table = forceparams[type].tab.table;
4095
4096         /* Hopefully phi+M_PI never results in values < 0 */
4097         *dvdlambda += bonded_tab("dihedral", table,
4098                                  &fcd->dihtab[table],
4099                                  forceparams[type].tab.kA,
4100                                  forceparams[type].tab.kB,
4101                                  phi+M_PI, lambda, &vpd, &ddphi);
4102
4103         vtot += vpd;
4104         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, -ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
4105                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112    */
4106
4107 #ifdef DEBUG
4108         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
4109                 ai, aj, ak, al, phi);
4110 #endif
4111     } /* 227 TOTAL  */
4112
4113     return vtot;
4114 }
4115
4116 /* Return if this is a potential calculated in bondfree.c,
4117  * i.e. an interaction that actually calculates a potential and
4118  * works on multiple atoms (not e.g. a connection or a position restraint).
4119  */
4120 static gmx_inline gmx_bool ftype_is_bonded_potential(int ftype)
4121 {
4122     return
4123         (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
4124         !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES || ftype == F_FBPOSRES) &&
4125         (ftype < F_GB12 || ftype > F_GB14);
4126 }
4127
4128 static void divide_bondeds_over_threads(t_idef *idef, int nthreads)
4129 {
4130     int ftype;
4131     int nat1;
4132     int t;
4133     int il_nr_thread;
4134
4135     idef->nthreads = nthreads;
4136
4137     if (F_NRE*(nthreads+1) > idef->il_thread_division_nalloc)
4138     {
4139         idef->il_thread_division_nalloc = F_NRE*(nthreads+1);
4140         snew(idef->il_thread_division, idef->il_thread_division_nalloc);
4141     }
4142
4143     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
4144     {
4145         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
4146         {
4147             nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
4148
4149             for (t = 0; t <= nthreads; t++)
4150             {
4151                 /* Divide the interactions equally over the threads.
4152                  * When the different types of bonded interactions
4153                  * are distributed roughly equally over the threads,
4154                  * this should lead to well localized output into
4155                  * the force buffer on each thread.
4156                  * If this is not the case, a more advanced scheme
4157                  * (not implemented yet) will do better.
4158                  */
4159                 il_nr_thread = (((idef->il[ftype].nr/nat1)*t)/nthreads)*nat1;
4160
4161                 /* Ensure that distance restraint pairs with the same label
4162                  * end up on the same thread.
4163                  * This is slighlty tricky code, since the next for iteration
4164                  * may have an initial il_nr_thread lower than the final value
4165                  * in the previous iteration, but this will anyhow be increased
4166                  * to the approriate value again by this while loop.
4167                  */
4168                 while (ftype == F_DISRES &&
4169                        il_nr_thread > 0 &&
4170                        il_nr_thread < idef->il[ftype].nr &&
4171                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread]].disres.label ==
4172                        idef->iparams[idef->il[ftype].iatoms[il_nr_thread-nat1]].disres.label)
4173                 {
4174                     il_nr_thread += nat1;
4175                 }
4176
4177                 idef->il_thread_division[ftype*(nthreads+1)+t] = il_nr_thread;
4178             }
4179         }
4180     }
4181 }
4182
4183 static unsigned
4184 calc_bonded_reduction_mask(const t_idef *idef,
4185                            int shift,
4186                            int t, int nt)
4187 {
4188     unsigned mask;
4189     int      ftype, nb, nat1, nb0, nb1, i, a;
4190
4191     mask = 0;
4192
4193     for (ftype = 0; ftype < F_NRE; ftype++)
4194     {
4195         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
4196         {
4197             nb = idef->il[ftype].nr;
4198             if (nb > 0)
4199             {
4200                 nat1 = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
4201
4202                 /* Divide this interaction equally over the threads.
4203                  * This is not stored: should match division in calc_bonds.
4204                  */
4205                 nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t];
4206                 nb1 = idef->il_thread_division[ftype*(nt+1)+t+1];
4207
4208                 for (i = nb0; i < nb1; i += nat1)
4209                 {
4210                     for (a = 1; a < nat1; a++)
4211                     {
4212                         mask |= (1U << (idef->il[ftype].iatoms[i+a]>>shift));
4213                     }
4214                 }
4215             }
4216         }
4217     }
4218
4219     return mask;
4220 }
4221
4222 void setup_bonded_threading(t_forcerec   *fr, t_idef *idef)
4223 {
4224 #define MAX_BLOCK_BITS 32
4225     int t;
4226     int ctot, c, b;
4227
4228     assert(fr->nthreads >= 1);
4229
4230     /* Divide the bonded interaction over the threads */
4231     divide_bondeds_over_threads(idef, fr->nthreads);
4232
4233     if (fr->nthreads == 1)
4234     {
4235         fr->red_nblock = 0;
4236
4237         return;
4238     }
4239
4240     /* We divide the force array in a maximum of 32 blocks.
4241      * Minimum force block reduction size is 2^6=64.
4242      */
4243     fr->red_ashift = 6;
4244     while (fr->natoms_force > (int)(MAX_BLOCK_BITS*(1U<<fr->red_ashift)))
4245     {
4246         fr->red_ashift++;
4247     }
4248     if (debug)
4249     {
4250         fprintf(debug, "bonded force buffer block atom shift %d bits\n",
4251                 fr->red_ashift);
4252     }
4253
4254     /* Determine to which blocks each thread's bonded force calculation
4255      * contributes. Store this is a mask for each thread.
4256      */
4257 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
4258     for (t = 1; t < fr->nthreads; t++)
4259     {
4260         fr->f_t[t].red_mask =
4261             calc_bonded_reduction_mask(idef, fr->red_ashift, t, fr->nthreads);
4262     }
4263
4264     /* Determine the maximum number of blocks we need to reduce over */
4265     fr->red_nblock = 0;
4266     ctot           = 0;
4267     for (t = 0; t < fr->nthreads; t++)
4268     {
4269         c = 0;
4270         for (b = 0; b < MAX_BLOCK_BITS; b++)
4271         {
4272             if (fr->f_t[t].red_mask & (1U<<b))
4273             {
4274                 fr->red_nblock = max(fr->red_nblock, b+1);
4275                 c++;
4276             }
4277         }
4278         if (debug)
4279         {
4280             fprintf(debug, "thread %d flags %x count %d\n",
4281                     t, fr->f_t[t].red_mask, c);
4282         }
4283         ctot += c;
4284     }
4285     if (debug)
4286     {
4287         fprintf(debug, "Number of blocks to reduce: %d of size %d\n",
4288                 fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
4289         fprintf(debug, "Reduction density %.2f density/#thread %.2f\n",
4290                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)fr->natoms_force,
4291                 ctot*(1<<fr->red_ashift)/(double)(fr->natoms_force*fr->nthreads));
4292     }
4293 }
4294
4295 static void zero_thread_forces(f_thread_t *f_t, int n,
4296                                int nblock, int blocksize)
4297 {
4298     int b, a0, a1, a, i, j;
4299
4300     if (n > f_t->f_nalloc)
4301     {
4302         f_t->f_nalloc = over_alloc_large(n);
4303         srenew(f_t->f, f_t->f_nalloc);
4304     }
4305
4306     if (f_t->red_mask != 0)
4307     {
4308         for (b = 0; b < nblock; b++)
4309         {
4310             if (f_t->red_mask && (1U<<b))
4311             {
4312                 a0 = b*blocksize;
4313                 a1 = min((b+1)*blocksize, n);
4314                 for (a = a0; a < a1; a++)
4315                 {
4316                     clear_rvec(f_t->f[a]);
4317                 }
4318             }
4319         }
4320     }
4321     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
4322     {
4323         clear_rvec(f_t->fshift[i]);
4324     }
4325     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
4326     {
4327         f_t->ener[i] = 0;
4328     }
4329     for (i = 0; i < egNR; i++)
4330     {
4331         for (j = 0; j < f_t->grpp.nener; j++)
4332         {
4333             f_t->grpp.ener[i][j] = 0;
4334         }
4335     }
4336     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4337     {
4338         f_t->dvdl[i] = 0;
4339     }
4340 }
4341
4342 static void reduce_thread_force_buffer(int n, rvec *f,
4343                                        int nthreads, f_thread_t *f_t,
4344                                        int nblock, int block_size)
4345 {
4346     /* The max thread number is arbitrary,
4347      * we used a fixed number to avoid memory management.
4348      * Using more than 16 threads is probably never useful performance wise.
4349      */
4350 #define MAX_BONDED_THREADS 256
4351     int b;
4352
4353     if (nthreads > MAX_BONDED_THREADS)
4354     {
4355         gmx_fatal(FARGS, "Can not reduce bonded forces on more than %d threads",
4356                   MAX_BONDED_THREADS);
4357     }
4358
4359     /* This reduction can run on any number of threads,
4360      * independently of nthreads.
4361      */
4362 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
4363     for (b = 0; b < nblock; b++)
4364     {
4365         rvec *fp[MAX_BONDED_THREADS];
4366         int   nfb, ft, fb;
4367         int   a0, a1, a;
4368
4369         /* Determine which threads contribute to this block */
4370         nfb = 0;
4371         for (ft = 1; ft < nthreads; ft++)
4372         {
4373             if (f_t[ft].red_mask & (1U<<b))
4374             {
4375                 fp[nfb++] = f_t[ft].f;
4376             }
4377         }
4378         if (nfb > 0)
4379         {
4380             /* Reduce force buffers for threads that contribute */
4381             a0 =  b   *block_size;
4382             a1 = (b+1)*block_size;
4383             a1 = min(a1, n);
4384             for (a = a0; a < a1; a++)
4385             {
4386                 for (fb = 0; fb < nfb; fb++)
4387                 {
4388                     rvec_inc(f[a], fp[fb][a]);
4389                 }
4390             }
4391         }
4392     }
4393 }
4394
4395 static void reduce_thread_forces(int n, rvec *f, rvec *fshift,
4396                                  real *ener, gmx_grppairener_t *grpp, real *dvdl,
4397                                  int nthreads, f_thread_t *f_t,
4398                                  int nblock, int block_size,
4399                                  gmx_bool bCalcEnerVir,
4400                                  gmx_bool bDHDL)
4401 {
4402     if (nblock > 0)
4403     {
4404         /* Reduce the bonded force buffer */
4405         reduce_thread_force_buffer(n, f, nthreads, f_t, nblock, block_size);
4406     }
4407
4408     /* When necessary, reduce energy and virial using one thread only */
4409     if (bCalcEnerVir)
4410     {
4411         int t, i, j;
4412
4413         for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
4414         {
4415             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4416             {
4417                 rvec_inc(fshift[i], f_t[t].fshift[i]);
4418             }
4419         }
4420         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
4421         {
4422             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4423             {
4424                 ener[i] += f_t[t].ener[i];
4425             }
4426         }
4427         for (i = 0; i < egNR; i++)
4428         {
4429             for (j = 0; j < f_t[1].grpp.nener; j++)
4430             {
4431                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4432                 {
4433
4434                     grpp->ener[i][j] += f_t[t].grpp.ener[i][j];
4435                 }
4436             }
4437         }
4438         if (bDHDL)
4439         {
4440             for (i = 0; i < efptNR; i++)
4441             {
4442
4443                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4444                 {
4445                     dvdl[i] += f_t[t].dvdl[i];
4446                 }
4447             }
4448         }
4449     }
4450 }
4451
4452 static real calc_one_bond(FILE *fplog, int thread,
4453                           int ftype, const t_idef *idef,
4454                           rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4455                           t_forcerec *fr,
4456                           const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4457                           gmx_grppairener_t *grpp,
4458                           t_nrnb *nrnb,
4459                           real *lambda, real *dvdl,
4460                           const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
4461                           gmx_bool bCalcEnerVir,
4462                           int *global_atom_index, gmx_bool bPrintSepPot)
4463 {
4464     int      nat1, nbonds, efptFTYPE;
4465     real     v = 0;
4466     t_iatom *iatoms;
4467     int      nb0, nbn;
4468
4469     if (IS_RESTRAINT_TYPE(ftype))
4470     {
4471         efptFTYPE = efptRESTRAINT;
4472     }
4473     else
4474     {
4475         efptFTYPE = efptBONDED;
4476     }
4477
4478     nat1      = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
4479     nbonds    = idef->il[ftype].nr/nat1;
4480     iatoms    = idef->il[ftype].iatoms;
4481
4482     nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread];
4483     nbn = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread+1] - nb0;
4484
4485     if (!IS_LISTED_LJ_C(ftype))
4486     {
4487         if (ftype == F_CMAP)
4488         {
4489             v = cmap_dihs(nbn, iatoms+nb0,
4490                           idef->iparams, &idef->cmap_grid,
4491                           (const rvec*)x, f, fshift,
4492                           pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4493                           md, fcd, global_atom_index);
4494         }
4495 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
4496         else if (ftype == F_ANGLES &&
4497                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4498         {
4499             /* No energies, shift forces, dvdl */
4500             angles_noener_simd(nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4501                                idef->iparams,
4502                                (const rvec*)x, f,
4503                                pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4504                                global_atom_index);
4505             v = 0;
4506         }
4507 #endif
4508         else if (ftype == F_PDIHS &&
4509                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4510         {
4511             /* No energies, shift forces, dvdl */
4512 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
4513             pdihs_noener_simd
4514 #else
4515             pdihs_noener
4516 #endif
4517                 (nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4518                 idef->iparams,
4519                 (const rvec*)x, f,
4520                 pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4521                 global_atom_index);
4522             v = 0;
4523         }
4524         else
4525         {
4526             v = interaction_function[ftype].ifunc(nbn, iatoms+nb0,
4527                                                   idef->iparams,
4528                                                   (const rvec*)x, f, fshift,
4529                                                   pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4530                                                   md, fcd, global_atom_index);
4531         }
4532         if (bPrintSepPot)
4533         {
4534             fprintf(fplog, "  %-23s #%4d  V %12.5e  dVdl %12.5e\n",
4535                     interaction_function[ftype].longname,
4536                     nbonds, v, lambda[efptFTYPE]);
4537         }
4538     }
4539     else
4540     {
4541         v = do_nonbonded_listed(ftype, nbn, iatoms+nb0, idef->iparams, (const rvec*)x, f, fshift,
4542                                 pbc, g, lambda, dvdl, md, fr, grpp, global_atom_index);
4543
4544         if (bPrintSepPot)
4545         {
4546             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4547                     interaction_function[ftype].longname,
4548                     interaction_function[F_LJ14].longname, nbonds, dvdl[efptVDW]);
4549             fprintf(fplog, "  %-5s + %-15s #%4d                  dVdl %12.5e\n",
4550                     interaction_function[ftype].longname,
4551                     interaction_function[F_COUL14].longname, nbonds, dvdl[efptCOUL]);
4552         }
4553     }
4554
4555     if (thread == 0)
4556     {
4557         inc_nrnb(nrnb, interaction_function[ftype].nrnb_ind, nbonds);
4558     }
4559
4560     return v;
4561 }
4562
4563 void calc_bonds(FILE *fplog, const gmx_multisim_t *ms,
4564                 const t_idef *idef,
4565                 rvec x[], history_t *hist,
4566                 rvec f[], t_forcerec *fr,
4567                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4568                 gmx_enerdata_t *enerd, t_nrnb *nrnb,
4569                 real *lambda,
4570                 const t_mdatoms *md,
4571                 t_fcdata *fcd, int *global_atom_index,
4572                 t_atomtypes gmx_unused *atype, gmx_genborn_t gmx_unused *born,
4573                 int force_flags,
4574                 gmx_bool bPrintSepPot, gmx_int64_t step)
4575 {
4576     gmx_bool      bCalcEnerVir;
4577     int           i;
4578     real          v, dvdl[efptNR], dvdl_dum[efptNR]; /* The dummy array is to have a place to store the dhdl at other values
4579                                                         of lambda, which will be thrown away in the end*/
4580     const  t_pbc *pbc_null;
4581     char          buf[22];
4582     int           thread;
4583
4584     assert(fr->nthreads == idef->nthreads);
4585
4586     bCalcEnerVir = (force_flags & (GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY));
4587
4588     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4589     {
4590         dvdl[i] = 0.0;
4591     }
4592     if (fr->bMolPBC)
4593     {
4594         pbc_null = pbc;
4595     }
4596     else
4597     {
4598         pbc_null = NULL;
4599     }
4600     if (bPrintSepPot)
4601     {
4602         fprintf(fplog, "Step %s: bonded V and dVdl for this rank\n",
4603                 gmx_step_str(step, buf));
4604     }
4605
4606 #ifdef DEBUG
4607     if (g && debug)
4608     {
4609         p_graph(debug, "Bondage is fun", g);
4610     }
4611 #endif
4612
4613     /* Do pre force calculation stuff which might require communication */
4614     if (idef->il[F_ORIRES].nr)
4615     {
4616         enerd->term[F_ORIRESDEV] =
4617             calc_orires_dev(ms, idef->il[F_ORIRES].nr,
4618                             idef->il[F_ORIRES].iatoms,
4619                             idef->iparams, md, (const rvec*)x,
4620                             pbc_null, fcd, hist);
4621     }
4622     if (idef->il[F_DISRES].nr)
4623     {
4624         calc_disres_R_6(idef->il[F_DISRES].nr,
4625                         idef->il[F_DISRES].iatoms,
4626                         idef->iparams, (const rvec*)x, pbc_null,
4627                         fcd, hist);
4628 #ifdef GMX_MPI
4629         if (fcd->disres.nsystems > 1)
4630         {
4631             gmx_sum_sim(2*fcd->disres.nres, fcd->disres.Rt_6, ms);
4632         }
4633 #endif
4634     }
4635
4636 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
4637     for (thread = 0; thread < fr->nthreads; thread++)
4638     {
4639         int                ftype;
4640         real              *epot, v;
4641         /* thread stuff */
4642         rvec              *ft, *fshift;
4643         real              *dvdlt;
4644         gmx_grppairener_t *grpp;
4645
4646         if (thread == 0)
4647         {
4648             ft     = f;
4649             fshift = fr->fshift;
4650             epot   = enerd->term;
4651             grpp   = &enerd->grpp;
4652             dvdlt  = dvdl;
4653         }
4654         else
4655         {
4656             zero_thread_forces(&fr->f_t[thread], fr->natoms_force,
4657                                fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
4658
4659             ft     = fr->f_t[thread].f;
4660             fshift = fr->f_t[thread].fshift;
4661             epot   = fr->f_t[thread].ener;
4662             grpp   = &fr->f_t[thread].grpp;
4663             dvdlt  = fr->f_t[thread].dvdl;
4664         }
4665         /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded forces */
4666         for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4667         {
4668             if (idef->il[ftype].nr > 0 && ftype_is_bonded_potential(ftype))
4669             {
4670                 v = calc_one_bond(fplog, thread, ftype, idef, x,
4671                                   ft, fshift, fr, pbc_null, g, grpp,
4672                                   nrnb, lambda, dvdlt,
4673                                   md, fcd, bCalcEnerVir,
4674                                   global_atom_index, bPrintSepPot);
4675                 epot[ftype] += v;
4676             }
4677         }
4678     }
4679     if (fr->nthreads > 1)
4680     {
4681         reduce_thread_forces(fr->natoms_force, f, fr->fshift,
4682                              enerd->term, &enerd->grpp, dvdl,
4683                              fr->nthreads, fr->f_t,
4684                              fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift,
4685                              bCalcEnerVir,
4686                              force_flags & GMX_FORCE_DHDL);
4687     }
4688     if (force_flags & GMX_FORCE_DHDL)
4689     {
4690         for (i = 0; i < efptNR; i++)
4691         {
4692             enerd->dvdl_nonlin[i] += dvdl[i];
4693         }
4694     }
4695
4696     /* Copy the sum of violations for the distance restraints from fcd */
4697     if (fcd)
4698     {
4699         enerd->term[F_DISRESVIOL] = fcd->disres.sumviol;
4700
4701     }
4702 }
4703
4704 void calc_bonds_lambda(FILE *fplog,
4705                        const t_idef *idef,
4706                        rvec x[],
4707                        t_forcerec *fr,
4708                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4709                        gmx_grppairener_t *grpp, real *epot, t_nrnb *nrnb,
4710                        real *lambda,
4711                        const t_mdatoms *md,
4712                        t_fcdata *fcd,
4713                        int *global_atom_index)
4714 {
4715     int           i, ftype, nr_nonperturbed, nr;
4716     real          v;
4717     real          dvdl_dum[efptNR];
4718     rvec         *f, *fshift;
4719     const  t_pbc *pbc_null;
4720     t_idef        idef_fe;
4721
4722     if (fr->bMolPBC)
4723     {
4724         pbc_null = pbc;
4725     }
4726     else
4727     {
4728         pbc_null = NULL;
4729     }
4730
4731     /* Copy the whole idef, so we can modify the contents locally */
4732     idef_fe          = *idef;
4733     idef_fe.nthreads = 1;
4734     snew(idef_fe.il_thread_division, F_NRE*(idef_fe.nthreads+1));
4735
4736     /* We already have the forces, so we use temp buffers here */
4737     snew(f, fr->natoms_force);
4738     snew(fshift, SHIFTS);
4739
4740     /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded energies */
4741     for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4742     {
4743         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
4744         {
4745             /* Set the work range of thread 0 to the perturbed bondeds only */
4746             nr_nonperturbed                       = idef->il[ftype].nr_nonperturbed;
4747             nr                                    = idef->il[ftype].nr;
4748             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+0] = nr_nonperturbed;
4749             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+1] = nr;
4750
4751             /* This is only to get the flop count correct */
4752             idef_fe.il[ftype].nr = nr - nr_nonperturbed;
4753
4754             if (nr - nr_nonperturbed > 0)
4755             {
4756                 v = calc_one_bond(fplog, 0, ftype, &idef_fe,
4757                                   x, f, fshift, fr, pbc_null, g,
4758                                   grpp, nrnb, lambda, dvdl_dum,
4759                                   md, fcd, TRUE,
4760                                   global_atom_index, FALSE);
4761                 epot[ftype] += v;
4762             }
4763         }
4764     }
4765
4766     sfree(fshift);
4767     sfree(f);
4768
4769     sfree(idef_fe.il_thread_division);
4770 }