src/gromacs/listed-forces/bonded.cpp

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014, 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 /*! \internal \file
  38  *
  39  * \brief This file defines functions necessary for mdrun and tools to
  40  * compute energies and forces for bonded interactions.
  41  *
  42  * \author Mark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
  43  *
  44  * \ingroup module_listed-forces
  45  */
  46 #include "gmxpre.h"
  47
  48 #include "bonded.h"
  49
  50 #include "config.h"
  51
  52 #include <assert.h>
  53
  54 #include <cmath>
  55
  56 #include <algorithm>
  57
  58 #include "gromacs/legacyheaders/disre.h"
  59 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  60 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
  61 #include "gromacs/legacyheaders/names.h"
  62 #include "gromacs/legacyheaders/ns.h"
  63 #include "gromacs/legacyheaders/orires.h"
  64 #include "gromacs/legacyheaders/txtdump.h"
  65 #include "gromacs/math/units.h"
  66 #include "gromacs/math/utilities.h"
  67 #include "gromacs/math/vec.h"
  68 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  69 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  70 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  71 #include "gromacs/simd/simd.h"
  72 #include "gromacs/simd/simd_math.h"
  73 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  74 #include "gromacs/utility/fatalerror.h"
  75 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  76
  77 #include "listed-internal.h"
  78 #include "pairs.h"
  79 #include "restcbt.h"
  80
  81 /*! \brief Mysterious CMAP coefficient matrix */
  82 const int cmap_coeff_matrix[] = {
  83     1, 0, -3,  2, 0, 0,  0,  0, -3,  0,  9, -6,  2,  0, -6,  4,
  84     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  3,  0, -9,  6, -2,  0,  6, -4,
  85     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  9, -6,  0,  0, -6,  4,
  86     0, 0,  3, -2, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -9,  6,  0,  0,  6, -4,
  87     0, 0,  0,  0, 1, 0, -3,  2, -2,  0,  6, -4,  1,  0, -3,  2,
  88     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0, -1,  0,  3, -2,  1,  0, -3,  2,
  89     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  2,  0,  0,  3, -2,
  90     0, 0,  0,  0, 0, 0,  3, -2,  0,  0, -6,  4,  0,  0,  3, -2,
  91     0, 1, -2,  1, 0, 0,  0,  0,  0, -3,  6, -3,  0,  2, -4,  2,
  92     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  3, -6,  3,  0, -2,  4, -2,
  93     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0, -3,  3,  0,  0,  2, -2,
  94     0, 0, -1,  1, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  3, -3,  0,  0, -2,  2,
  95     0, 0,  0,  0, 0, 1, -2,  1,  0, -2,  4, -2,  0,  1, -2,  1,
  96     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0, -1,  2, -1,  0,  1, -2,  1,
  97     0, 0,  0,  0, 0, 0,  0,  0,  0,  0,  1, -1,  0,  0, -1,  1,
  98     0, 0,  0,  0, 0, 0, -1,  1,  0,  0,  2, -2,  0,  0, -1,  1
  99 };
 100
 101
 102 /*! \brief Compute dx = xi - xj, modulo PBC if non-NULL
 103  *
 104  * \todo This kind of code appears in many places. Consolidate it */
 105 static int pbc_rvec_sub(const t_pbc *pbc, const rvec xi, const rvec xj, rvec dx)
 106 {
 107     if (pbc)
 108     {
 109         return pbc_dx_aiuc(pbc, xi, xj, dx);
 110     }
 111     else
 112     {
 113         rvec_sub(xi, xj, dx);
 114         return CENTRAL;
 115     }
 116 }
 117
 118 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
 119
 120 /* SIMD PBC data structure, containing 1/boxdiag and the box vectors */
 121 typedef struct {
 122     gmx_simd_real_t inv_bzz;
 123     gmx_simd_real_t inv_byy;
 124     gmx_simd_real_t inv_bxx;
 125     gmx_simd_real_t bzx;
 126     gmx_simd_real_t bzy;
 127     gmx_simd_real_t bzz;
 128     gmx_simd_real_t byx;
 129     gmx_simd_real_t byy;
 130     gmx_simd_real_t bxx;
 131 } pbc_simd_t;
 132
 133 /*! \brief Set the SIMD pbc data from a normal t_pbc struct */
 134 static void set_pbc_simd(const t_pbc *pbc, pbc_simd_t *pbc_simd)
 135 {
 136     rvec inv_bdiag;
 137     int  d;
 138
 139     /* Setting inv_bdiag to 0 effectively turns off PBC */
 140     clear_rvec(inv_bdiag);
 141     if (pbc != NULL)
 142     {
 143         for (d = 0; d < pbc->ndim_ePBC; d++)
 144         {
 145             inv_bdiag[d] = 1.0/pbc->box[d][d];
 146         }
 147     }
 148
 149     pbc_simd->inv_bzz = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[ZZ]);
 150     pbc_simd->inv_byy = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[YY]);
 151     pbc_simd->inv_bxx = gmx_simd_set1_r(inv_bdiag[XX]);
 152
 153     if (pbc != NULL)
 154     {
 155         pbc_simd->bzx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][XX]);
 156         pbc_simd->bzy = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][YY]);
 157         pbc_simd->bzz = gmx_simd_set1_r(pbc->box[ZZ][ZZ]);
 158         pbc_simd->byx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[YY][XX]);
 159         pbc_simd->byy = gmx_simd_set1_r(pbc->box[YY][YY]);
 160         pbc_simd->bxx = gmx_simd_set1_r(pbc->box[XX][XX]);
 161     }
 162     else
 163     {
 164         pbc_simd->bzx = gmx_simd_setzero_r();
 165         pbc_simd->bzy = gmx_simd_setzero_r();
 166         pbc_simd->bzz = gmx_simd_setzero_r();
 167         pbc_simd->byx = gmx_simd_setzero_r();
 168         pbc_simd->byy = gmx_simd_setzero_r();
 169         pbc_simd->bxx = gmx_simd_setzero_r();
 170     }
 171 }
 172
 173 /*! \brief Correct distance vector *dx,*dy,*dz for PBC using SIMD */
 174 static gmx_inline void
 175 pbc_dx_simd(gmx_simd_real_t *dx, gmx_simd_real_t *dy, gmx_simd_real_t *dz,
 176             const pbc_simd_t *pbc)
 177 {
 178     gmx_simd_real_t sh;
 179
 180     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dz, pbc->inv_bzz));
 181     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzx, *dx);
 182     *dy = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzy, *dy);
 183     *dz = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bzz, *dz);
 184
 185     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dy, pbc->inv_byy));
 186     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->byx, *dx);
 187     *dy = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->byy, *dy);
 188
 189     sh  = gmx_simd_round_r(gmx_simd_mul_r(*dx, pbc->inv_bxx));
 190     *dx = gmx_simd_fnmadd_r(sh, pbc->bxx, *dx);
 191 }
 192
 193 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
 194
 195 /*! \brief Morse potential bond
 196  *
 197  * By Frank Everdij. 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 real morse_bonds(int nbonds,
 207                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 208                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 209                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
 210                  real lambda, real *dvdlambda,
 211                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 212                  int gmx_unused *global_atom_index)
 213 {
 214     const real one = 1.0;
 215     const real two = 2.0;
 216     real       dr, dr2, temp, omtemp, cbomtemp, fbond, vbond, fij, vtot;
 217     real       b0, be, cb, b0A, beA, cbA, b0B, beB, cbB, L1;
 218     rvec       dx;
 219     int        i, m, ki, type, ai, aj;
 220     ivec       dt;
 221
 222     vtot = 0.0;
 223     for (i = 0; (i < nbonds); )
 224     {
 225         type = forceatoms[i++];
 226         ai   = forceatoms[i++];
 227         aj   = forceatoms[i++];
 228
 229         b0A   = forceparams[type].morse.b0A;
 230         beA   = forceparams[type].morse.betaA;
 231         cbA   = forceparams[type].morse.cbA;
 232
 233         b0B   = forceparams[type].morse.b0B;
 234         beB   = forceparams[type].morse.betaB;
 235         cbB   = forceparams[type].morse.cbB;
 236
 237         L1 = one-lambda;                            /* 1 */
 238         b0 = L1*b0A + lambda*b0B;                   /* 3 */
 239         be = L1*beA + lambda*beB;                   /* 3 */
 240         cb = L1*cbA + lambda*cbB;                   /* 3 */
 241
 242         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3          */
 243         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5          */
 244         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10          */
 245         temp = exp(-be*(dr-b0));                    /*  12          */
 246
 247         if (temp == one)
 248         {
 249             /* bonds are constrainted. This may _not_ include bond constraints if they are lambda dependent */
 250             *dvdlambda += cbB-cbA;
 251             continue;
 252         }
 253
 254         omtemp    = one-temp;                                                                                        /*   1          */
 255         cbomtemp  = cb*omtemp;                                                                                       /*   1          */
 256         vbond     = cbomtemp*omtemp;                                                                                 /*   1          */
 257         fbond     = -two*be*temp*cbomtemp*gmx_invsqrt(dr2);                                                          /*   9          */
 258         vtot     += vbond;                                                                                           /*   1          */
 259
 260         *dvdlambda += (cbB - cbA) * omtemp * omtemp - (2-2*omtemp)*omtemp * cb * ((b0B-b0A)*be - (beB-beA)*(dr-b0)); /* 15 */
 261
 262         if (g)
 263         {
 264             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
 265             ki = IVEC2IS(dt);
 266         }
 267
 268         for (m = 0; (m < DIM); m++)                    /*  15          */
 269         {
 270             fij                 = fbond*dx[m];
 271             f[ai][m]           += fij;
 272             f[aj][m]           -= fij;
 273             fshift[ki][m]      += fij;
 274             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 275         }
 276     }                                         /*  83 TOTAL    */
 277     return vtot;
 278 }
 279
 280 //! \cond
 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       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         if (debug)
 755         {
 756             fprintf(debug, "WPOL: qS  = %10.5f aS = %5d\n", qS, aS);
 757             fprintf(debug, "WPOL: kk  = %10.3f        %10.3f        %10.3f\n",
 758                     kk[XX], kk[YY], kk[ZZ]);
 759             fprintf(debug, "WPOL: rOH = %10.3f  rHH = %10.3f  rOD = %10.3f\n",
 760                     forceparams[type0].wpol.rOH,
 761                     forceparams[type0].wpol.rHH,
 762                     forceparams[type0].wpol.rOD);
 763         }
 764         for (i = 0; (i < nbonds); i += 6)
 765         {
 766             type = forceatoms[i];
 767             if (type != type0)
 768             {
 769                 gmx_fatal(FARGS, "Sorry, type = %d, type0 = %d, file = %s, line = %d",
 770                           type, type0, __FILE__, __LINE__);
 771             }
 772             aO   = forceatoms[i+1];
 773             aH1  = forceatoms[i+2];
 774             aH2  = forceatoms[i+3];
 775             aD   = forceatoms[i+4];
 776             aS   = forceatoms[i+5];
 777
 778             /* Compute vectors describing the water frame */
 779             pbc_rvec_sub(pbc, x[aH1], x[aO], dOH1);
 780             pbc_rvec_sub(pbc, x[aH2], x[aO], dOH2);
 781             pbc_rvec_sub(pbc, x[aH2], x[aH1], dHH);
 782             pbc_rvec_sub(pbc, x[aD], x[aO], dOD);
 783             ki = pbc_rvec_sub(pbc, x[aS], x[aD], dDS);
 784             cprod(dOH1, dOH2, nW);
 785
 786             /* Compute inverse length of normal vector
 787              * (this one could be precomputed, but I'm too lazy now)
 788              */
 789             r_nW = gmx_invsqrt(iprod(nW, nW));
 790             /* This is for precision, but does not make a big difference,
 791              * it can go later.
 792              */
 793             r_OD = gmx_invsqrt(iprod(dOD, dOD));
 794
 795             /* Normalize the vectors in the water frame */
 796             svmul(r_nW, nW, nW);
 797             svmul(r_HH, dHH, dHH);
 798             svmul(r_OD, dOD, dOD);
 799
 800             /* Compute displacement of shell along components of the vector */
 801             dx[ZZ] = iprod(dDS, dOD);
 802             /* Compute projection on the XY plane: dDS - dx[ZZ]*dOD */
 803             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 804             {
 805                 proj[m] = dDS[m]-dx[ZZ]*dOD[m];
 806             }
 807
 808             /*dx[XX] = iprod(dDS,nW);
 809                dx[YY] = iprod(dDS,dHH);*/
 810             dx[XX] = iprod(proj, nW);
 811             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 812             {
 813                 proj[m] -= dx[XX]*nW[m];
 814             }
 815             dx[YY] = iprod(proj, dHH);
 816             /*#define DEBUG*/
 817 #ifdef DEBUG
 818             if (debug)
 819             {
 820                 fprintf(debug, "WPOL: dx2=%10g  dy2=%10g  dz2=%10g  sum=%10g  dDS^2=%10g\n",
 821                         sqr(dx[XX]), sqr(dx[YY]), sqr(dx[ZZ]), iprod(dx, dx), iprod(dDS, dDS));
 822                 fprintf(debug, "WPOL: dHH=(%10g,%10g,%10g)\n", dHH[XX], dHH[YY], dHH[ZZ]);
 823                 fprintf(debug, "WPOL: dOD=(%10g,%10g,%10g), 1/r_OD = %10g\n",
 824                         dOD[XX], dOD[YY], dOD[ZZ], 1/r_OD);
 825                 fprintf(debug, "WPOL: nW =(%10g,%10g,%10g), 1/r_nW = %10g\n",
 826                         nW[XX], nW[YY], nW[ZZ], 1/r_nW);
 827                 fprintf(debug, "WPOL: dx  =%10g, dy  =%10g, dz  =%10g\n",
 828                         dx[XX], dx[YY], dx[ZZ]);
 829                 fprintf(debug, "WPOL: dDSx=%10g, dDSy=%10g, dDSz=%10g\n",
 830                         dDS[XX], dDS[YY], dDS[ZZ]);
 831             }
 832 #endif
 833             /* Now compute the forces and energy */
 834             kdx[XX] = kk[XX]*dx[XX];
 835             kdx[YY] = kk[YY]*dx[YY];
 836             kdx[ZZ] = kk[ZZ]*dx[ZZ];
 837             vtot   += iprod(dx, kdx);
 838
 839             if (g)
 840             {
 841                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, aS), SHIFT_IVEC(g, aD), dt);
 842                 ki = IVEC2IS(dt);
 843             }
 844
 845             for (m = 0; (m < DIM); m++)
 846             {
 847                 /* This is a tensor operation but written out for speed */
 848                 tx        =  nW[m]*kdx[XX];
 849                 ty        = dHH[m]*kdx[YY];
 850                 tz        = dOD[m]*kdx[ZZ];
 851                 fij       = -tx-ty-tz;
 852 #ifdef DEBUG
 853                 df[m] = fij;
 854 #endif
 855                 f[aS][m]           += fij;
 856                 f[aD][m]           -= fij;
 857                 fshift[ki][m]      += fij;
 858                 fshift[CENTRAL][m] -= fij;
 859             }
 860 #ifdef DEBUG
 861             if (debug)
 862             {
 863                 fprintf(debug, "WPOL: vwpol=%g\n", 0.5*iprod(dx, kdx));
 864                 fprintf(debug, "WPOL: df = (%10g, %10g, %10g)\n", df[XX], df[YY], df[ZZ]);
 865             }
 866 #endif
 867         }
 868     }
 869     return 0.5*vtot;
 870 }
 871
 872 static real do_1_thole(const rvec xi, const rvec xj, rvec fi, rvec fj,
 873                        const t_pbc *pbc, real qq,
 874                        rvec fshift[], real afac)
 875 {
 876     rvec r12;
 877     real r12sq, r12_1, r12bar, v0, v1, fscal, ebar, fff;
 878     int  m, t;
 879
 880     t      = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r12);                      /*  3 */
 881
 882     r12sq  = iprod(r12, r12);                                     /*  5 */
 883     r12_1  = gmx_invsqrt(r12sq);                                  /*  5 */
 884     r12bar = afac/r12_1;                                          /*  5 */
 885     v0     = qq*ONE_4PI_EPS0*r12_1;                               /*  2 */
 886     ebar   = exp(-r12bar);                                        /*  5 */
 887     v1     = (1-(1+0.5*r12bar)*ebar);                             /*  4 */
 888     fscal  = ((v0*r12_1)*v1 - v0*0.5*afac*ebar*(r12bar+1))*r12_1; /* 9 */
 889     if (debug)
 890     {
 891         fprintf(debug, "THOLE: v0 = %.3f v1 = %.3f r12= % .3f r12bar = %.3f fscal = %.3f  ebar = %.3f\n", v0, v1, 1/r12_1, r12bar, fscal, ebar);
 892     }
 893
 894     for (m = 0; (m < DIM); m++)
 895     {
 896         fff                 = fscal*r12[m];
 897         fi[m]              += fff;
 898         fj[m]              -= fff;
 899         fshift[t][m]       += fff;
 900         fshift[CENTRAL][m] -= fff;
 901     }             /* 15 */
 902
 903     return v0*v1; /* 1 */
 904     /* 54 */
 905 }
 906
 907 real thole_pol(int nbonds,
 908                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
 909                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
 910                const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
 911                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
 912                const t_mdatoms *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
 913                int gmx_unused *global_atom_index)
 914 {
 915     /* Interaction between two pairs of particles with opposite charge */
 916     int        i, type, a1, da1, a2, da2;
 917     real       q1, q2, qq, a, al1, al2, afac;
 918     real       V             = 0;
 919     const real minusOneOnSix = -1.0/6.0;
 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, minusOneOnSix);
 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;
1720     real iprm, iprn, nrkj, nrkj2, nrkj_1, nrkj_2;
1721     real a, b, p, q, toler;
1722
1723     iprm  = iprod(m, m);       /*  5    */
1724     iprn  = iprod(n, n);       /*  5    */
1725     nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj); /*  5    */
1726     toler = nrkj2*GMX_REAL_EPS;
1727     if ((iprm > toler) && (iprn > toler))
1728     {
1729         nrkj_1 = gmx_invsqrt(nrkj2); /* 10      */
1730         nrkj_2 = nrkj_1*nrkj_1;      /*  1      */
1731         nrkj   = nrkj2*nrkj_1;       /*  1      */
1732         a      = -ddphi*nrkj/iprm;   /* 11      */
1733         svmul(a, m, f_i);            /*  3      */
1734         b     = ddphi*nrkj/iprn;     /* 11      */
1735         svmul(b, n, f_l);            /*  3  */
1736         p     = iprod(r_ij, r_kj);   /*  5      */
1737         p    *= nrkj_2;              /*  1      */
1738         q     = iprod(r_kl, r_kj);   /*  5      */
1739         q    *= nrkj_2;              /*  1      */
1740         svmul(p, f_i, uvec);         /*  3      */
1741         svmul(q, f_l, vvec);         /*  3      */
1742         rvec_sub(uvec, vvec, svec);  /*  3      */
1743         rvec_sub(f_i, svec, f_j);    /*  3      */
1744         rvec_add(f_l, svec, f_k);    /*  3      */
1745         rvec_inc(f[i], f_i);         /*  3      */
1746         rvec_dec(f[j], f_j);         /*  3      */
1747         rvec_dec(f[k], f_k);         /*  3      */
1748         rvec_inc(f[l], f_l);         /*  3      */
1749     }
1750 }
1751
1752 /* As do_dih_fup_noshiftf above, but with pre-calculated pre-factors */
1753 static gmx_inline void
1754 do_dih_fup_noshiftf_precalc(int i, int j, int k, int l,
1755                             real p, real q,
1756                             real f_i_x, real f_i_y, real f_i_z,
1757                             real mf_l_x, real mf_l_y, real mf_l_z,
1758                             rvec f[])
1759 {
1760     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
1761     rvec uvec, vvec, svec;
1762
1763     f_i[XX] = f_i_x;
1764     f_i[YY] = f_i_y;
1765     f_i[ZZ] = f_i_z;
1766     f_l[XX] = -mf_l_x;
1767     f_l[YY] = -mf_l_y;
1768     f_l[ZZ] = -mf_l_z;
1769     svmul(p, f_i, uvec);
1770     svmul(q, f_l, vvec);
1771     rvec_sub(uvec, vvec, svec);
1772     rvec_sub(f_i, svec, f_j);
1773     rvec_add(f_l, svec, f_k);
1774     rvec_inc(f[i], f_i);
1775     rvec_dec(f[j], f_j);
1776     rvec_dec(f[k], f_k);
1777     rvec_inc(f[l], f_l);
1778 }
1779
1780
1781 real dopdihs(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1782              real phi, real lambda, real *V, real *F)
1783 {
1784     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1785     real L1   = 1.0 - lambda;
1786     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1787     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1788     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1789
1790     mdphi =  mult*phi - ph0;
1791     sdphi = sin(mdphi);
1792     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1793     v1    = 1.0 + cos(mdphi);
1794     v     = cp*v1;
1795
1796     dvdlambda  = (cpB - cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1797
1798     *V = v;
1799     *F = ddphi;
1800
1801     return dvdlambda;
1802
1803     /* That was 40 flops */
1804 }
1805
1806 static void
1807 dopdihs_noener(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1808                real phi, real lambda, real *F)
1809 {
1810     real mdphi, sdphi, ddphi;
1811     real L1   = 1.0 - lambda;
1812     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1813     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1814
1815     mdphi = mult*phi - ph0;
1816     sdphi = sin(mdphi);
1817     ddphi = -cp*mult*sdphi;
1818
1819     *F = ddphi;
1820
1821     /* That was 20 flops */
1822 }
1823
1824 static void
1825 dopdihs_mdphi(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1826               real phi, real lambda, real *cp, real *mdphi)
1827 {
1828     real L1   = 1.0 - lambda;
1829     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1830
1831     *cp    = L1*cpA + lambda*cpB;
1832
1833     *mdphi = mult*phi - ph0;
1834 }
1835
1836 static real dopdihs_min(real cpA, real cpB, real phiA, real phiB, int mult,
1837                         real phi, real lambda, real *V, real *F)
1838 /* similar to dopdihs, except for a minus sign  *
1839  * and a different treatment of mult/phi0       */
1840 {
1841     real v, dvdlambda, mdphi, v1, sdphi, ddphi;
1842     real L1   = 1.0 - lambda;
1843     real ph0  = (L1*phiA + lambda*phiB)*DEG2RAD;
1844     real dph0 = (phiB - phiA)*DEG2RAD;
1845     real cp   = L1*cpA + lambda*cpB;
1846
1847     mdphi = mult*(phi-ph0);
1848     sdphi = sin(mdphi);
1849     ddphi = cp*mult*sdphi;
1850     v1    = 1.0-cos(mdphi);
1851     v     = cp*v1;
1852
1853     dvdlambda  = (cpB-cpA)*v1 + cp*dph0*sdphi;
1854
1855     *V = v;
1856     *F = ddphi;
1857
1858     return dvdlambda;
1859
1860     /* That was 40 flops */
1861 }
1862
1863 real pdihs(int nbonds,
1864            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1865            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
1866            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
1867            real lambda, real *dvdlambda,
1868            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1869            int gmx_unused *global_atom_index)
1870 {
1871     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1872     int  t1, t2, t3;
1873     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1874     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
1875
1876     vtot = 0.0;
1877
1878     for (i = 0; (i < nbonds); )
1879     {
1880         type = forceatoms[i++];
1881         ai   = forceatoms[i++];
1882         aj   = forceatoms[i++];
1883         ak   = forceatoms[i++];
1884         al   = forceatoms[i++];
1885
1886         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1887                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84      */
1888         *dvdlambda += dopdihs(forceparams[type].pdihs.cpA,
1889                               forceparams[type].pdihs.cpB,
1890                               forceparams[type].pdihs.phiA,
1891                               forceparams[type].pdihs.phiB,
1892                               forceparams[type].pdihs.mult,
1893                               phi, lambda, &vpd, &ddphi);
1894
1895         vtot += vpd;
1896         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1897                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
1898
1899 #ifdef DEBUG
1900         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
1901                 ai, aj, ak, al, phi);
1902 #endif
1903     } /* 223 TOTAL  */
1904
1905     return vtot;
1906 }
1907
1908 void make_dp_periodic(real *dp)  /* 1 flop? */
1909 {
1910     /* dp cannot be outside (-pi,pi) */
1911     if (*dp >= M_PI)
1912     {
1913         *dp -= 2*M_PI;
1914     }
1915     else if (*dp < -M_PI)
1916     {
1917         *dp += 2*M_PI;
1918     }
1919     return;
1920 }
1921
1922 /* As pdihs above, but without calculating energies and shift forces */
1923 static void
1924 pdihs_noener(int nbonds,
1925              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1926              const rvec x[], rvec f[],
1927              const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1928              real lambda,
1929              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1930              int gmx_unused *global_atom_index)
1931 {
1932     int  i, type, ai, aj, ak, al;
1933     int  t1, t2, t3;
1934     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
1935     real phi, sign, ddphi_tot, ddphi;
1936
1937     for (i = 0; (i < nbonds); )
1938     {
1939         ai   = forceatoms[i+1];
1940         aj   = forceatoms[i+2];
1941         ak   = forceatoms[i+3];
1942         al   = forceatoms[i+4];
1943
1944         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
1945                         &sign, &t1, &t2, &t3);
1946
1947         ddphi_tot = 0;
1948
1949         /* Loop over dihedrals working on the same atoms,
1950          * so we avoid recalculating angles and force distributions.
1951          */
1952         do
1953         {
1954             type = forceatoms[i];
1955             dopdihs_noener(forceparams[type].pdihs.cpA,
1956                            forceparams[type].pdihs.cpB,
1957                            forceparams[type].pdihs.phiA,
1958                            forceparams[type].pdihs.phiB,
1959                            forceparams[type].pdihs.mult,
1960                            phi, lambda, &ddphi);
1961             ddphi_tot += ddphi;
1962
1963             i += 5;
1964         }
1965         while (i < nbonds &&
1966                forceatoms[i+1] == ai &&
1967                forceatoms[i+2] == aj &&
1968                forceatoms[i+3] == ak &&
1969                forceatoms[i+4] == al);
1970
1971         do_dih_fup_noshiftf(ai, aj, ak, al, ddphi_tot, r_ij, r_kj, r_kl, m, n, f);
1972     }
1973 }
1974
1975
1976 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
1977
1978 /* As pdihs_noner above, but using SIMD to calculate many dihedrals at once */
1979 static void
1980 pdihs_noener_simd(int nbonds,
1981                   const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
1982                   const rvec x[], rvec f[],
1983                   const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
1984                   real gmx_unused lambda,
1985                   const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
1986                   int gmx_unused *global_atom_index)
1987 {
1988     const int             nfa1 = 5;
1989     int                   i, iu, s;
1990     int                   type, ai[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], aj[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], ak[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], al[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
1991     real                  dr_array[3*DIM*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *dr;
1992     real                  buf_array[7*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *buf;
1993     real                 *cp, *phi0, *mult, *p, *q;
1994     gmx_simd_real_t       phi0_S, phi_S;
1995     gmx_simd_real_t       mx_S, my_S, mz_S;
1996     gmx_simd_real_t       nx_S, ny_S, nz_S;
1997     gmx_simd_real_t       nrkj_m2_S, nrkj_n2_S;
1998     gmx_simd_real_t       cp_S, mdphi_S, mult_S;
1999     gmx_simd_real_t       sin_S, cos_S;
2000     gmx_simd_real_t       mddphi_S;
2001     gmx_simd_real_t       sf_i_S, msf_l_S;
2002     pbc_simd_t            pbc_simd;
2003
2004     /* Ensure SIMD register alignment */
2005     dr  = gmx_simd_align_r(dr_array);
2006     buf = gmx_simd_align_r(buf_array);
2007
2008     /* Extract aligned pointer for parameters and variables */
2009     cp    = buf + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2010     phi0  = buf + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2011     mult  = buf + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2012     p     = buf + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2013     q     = buf + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2014
2015     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
2016
2017     /* nbonds is the number of dihedrals times nfa1, here we step GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihs */
2018     for (i = 0; (i < nbonds); i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH*nfa1)
2019     {
2020         /* Collect atoms quadruplets for GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedrals.
2021          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
2022          */
2023         iu = i;
2024         for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
2025         {
2026             type  = forceatoms[iu];
2027             ai[s] = forceatoms[iu+1];
2028             aj[s] = forceatoms[iu+2];
2029             ak[s] = forceatoms[iu+3];
2030             al[s] = forceatoms[iu+4];
2031
2032             cp[s]   = forceparams[type].pdihs.cpA;
2033             phi0[s] = forceparams[type].pdihs.phiA*DEG2RAD;
2034             mult[s] = forceparams[type].pdihs.mult;
2035
2036             /* At the end fill the arrays with identical entries */
2037             if (iu + nfa1 < nbonds)
2038             {
2039                 iu += nfa1;
2040             }
2041         }
2042
2043         /* Caclulate GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedral angles at once */
2044         dih_angle_simd(x, ai, aj, ak, al, &pbc_simd,
2045                        dr,
2046                        &phi_S,
2047                        &mx_S, &my_S, &mz_S,
2048                        &nx_S, &ny_S, &nz_S,
2049                        &nrkj_m2_S,
2050                        &nrkj_n2_S,
2051                        p, q);
2052
2053         cp_S     = gmx_simd_load_r(cp);
2054         phi0_S   = gmx_simd_load_r(phi0);
2055         mult_S   = gmx_simd_load_r(mult);
2056
2057         mdphi_S  = gmx_simd_sub_r(gmx_simd_mul_r(mult_S, phi_S), phi0_S);
2058
2059         /* Calculate GMX_SIMD_REAL_WIDTH sines at once */
2060         gmx_simd_sincos_r(mdphi_S, &sin_S, &cos_S);
2061         mddphi_S = gmx_simd_mul_r(gmx_simd_mul_r(cp_S, mult_S), sin_S);
2062         sf_i_S   = gmx_simd_mul_r(mddphi_S, nrkj_m2_S);
2063         msf_l_S  = gmx_simd_mul_r(mddphi_S, nrkj_n2_S);
2064
2065         /* After this m?_S will contain f[i] */
2066         mx_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mx_S);
2067         my_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, my_S);
2068         mz_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mz_S);
2069
2070         /* After this m?_S will contain -f[l] */
2071         nx_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nx_S);
2072         ny_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, ny_S);
2073         nz_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nz_S);
2074
2075         gmx_simd_store_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mx_S);
2076         gmx_simd_store_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, my_S);
2077         gmx_simd_store_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mz_S);
2078         gmx_simd_store_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nx_S);
2079         gmx_simd_store_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, ny_S);
2080         gmx_simd_store_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nz_S);
2081
2082         iu = i;
2083         s  = 0;
2084         do
2085         {
2086             do_dih_fup_noshiftf_precalc(ai[s], aj[s], ak[s], al[s],
2087                                         p[s], q[s],
2088                                         dr[     XX *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2089                                         dr[     YY *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2090                                         dr[     ZZ *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2091                                         dr[(DIM+XX)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2092                                         dr[(DIM+YY)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2093                                         dr[(DIM+ZZ)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2094                                         f);
2095             s++;
2096             iu += nfa1;
2097         }
2098         while (s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH && iu < nbonds);
2099     }
2100 }
2101
2102 /* This is mostly a copy of pdihs_noener_simd above, but with using
2103  * the RB potential instead of a harmonic potential.
2104  * This function can replace rbdihs() when no energy and virial are needed.
2105  */
2106 static void
2107 rbdihs_noener_simd(int nbonds,
2108                    const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2109                    const rvec x[], rvec f[],
2110                    const t_pbc *pbc, const t_graph gmx_unused *g,
2111                    real gmx_unused lambda,
2112                    const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2113                    int gmx_unused *global_atom_index)
2114 {
2115     const int             nfa1 = 5;
2116     int                   i, iu, s, j;
2117     int                   type, ai[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], aj[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], ak[GMX_SIMD_REAL_WIDTH], al[GMX_SIMD_REAL_WIDTH];
2118     real                  dr_array[3*DIM*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *dr;
2119     real                  buf_array[(NR_RBDIHS + 4)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+GMX_SIMD_REAL_WIDTH], *buf;
2120     real                 *parm, *p, *q;
2121
2122     gmx_simd_real_t       phi_S;
2123     gmx_simd_real_t       ddphi_S, cosfac_S;
2124     gmx_simd_real_t       mx_S, my_S, mz_S;
2125     gmx_simd_real_t       nx_S, ny_S, nz_S;
2126     gmx_simd_real_t       nrkj_m2_S, nrkj_n2_S;
2127     gmx_simd_real_t       parm_S, c_S;
2128     gmx_simd_real_t       sin_S, cos_S;
2129     gmx_simd_real_t       sf_i_S, msf_l_S;
2130     pbc_simd_t            pbc_simd;
2131
2132     gmx_simd_real_t       pi_S  = gmx_simd_set1_r(M_PI);
2133     gmx_simd_real_t       one_S = gmx_simd_set1_r(1.0);
2134
2135     /* Ensure SIMD register alignment */
2136     dr  = gmx_simd_align_r(dr_array);
2137     buf = gmx_simd_align_r(buf_array);
2138
2139     /* Extract aligned pointer for parameters and variables */
2140     parm  = buf;
2141     p     = buf + (NR_RBDIHS + 0)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2142     q     = buf + (NR_RBDIHS + 1)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
2143
2144     set_pbc_simd(pbc, &pbc_simd);
2145
2146     /* nbonds is the number of dihedrals times nfa1, here we step GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihs */
2147     for (i = 0; (i < nbonds); i += GMX_SIMD_REAL_WIDTH*nfa1)
2148     {
2149         /* Collect atoms quadruplets for GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedrals.
2150          * iu indexes into forceatoms, we should not let iu go beyond nbonds.
2151          */
2152         iu = i;
2153         for (s = 0; s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH; s++)
2154         {
2155             type  = forceatoms[iu];
2156             ai[s] = forceatoms[iu+1];
2157             aj[s] = forceatoms[iu+2];
2158             ak[s] = forceatoms[iu+3];
2159             al[s] = forceatoms[iu+4];
2160
2161             /* We don't need the first parameter, since that's a constant
2162              * which only affects the energies, not the forces.
2163              */
2164             for (j = 1; j < NR_RBDIHS; j++)
2165             {
2166                 parm[j*GMX_SIMD_REAL_WIDTH + s] =
2167                     forceparams[type].rbdihs.rbcA[j];
2168             }
2169
2170             /* At the end fill the arrays with identical entries */
2171             if (iu + nfa1 < nbonds)
2172             {
2173                 iu += nfa1;
2174             }
2175         }
2176
2177         /* Caclulate GMX_SIMD_REAL_WIDTH dihedral angles at once */
2178         dih_angle_simd(x, ai, aj, ak, al, &pbc_simd,
2179                        dr,
2180                        &phi_S,
2181                        &mx_S, &my_S, &mz_S,
2182                        &nx_S, &ny_S, &nz_S,
2183                        &nrkj_m2_S,
2184                        &nrkj_n2_S,
2185                        p, q);
2186
2187         /* Change to polymer convention */
2188         phi_S = gmx_simd_sub_r(phi_S, pi_S);
2189
2190         gmx_simd_sincos_r(phi_S, &sin_S, &cos_S);
2191
2192         ddphi_S   = gmx_simd_setzero_r();
2193         c_S       = one_S;
2194         cosfac_S  = one_S;
2195         for (j = 1; j < NR_RBDIHS; j++)
2196         {
2197             parm_S   = gmx_simd_load_r(parm + j*GMX_SIMD_REAL_WIDTH);
2198             ddphi_S  = gmx_simd_fmadd_r(gmx_simd_mul_r(c_S, parm_S), cosfac_S, ddphi_S);
2199             cosfac_S = gmx_simd_mul_r(cosfac_S, cos_S);
2200             c_S      = gmx_simd_add_r(c_S, one_S);
2201         }
2202
2203         /* Note that here we do not use the minus sign which is present
2204          * in the normal RB code. This is corrected for through (m)sf below.
2205          */
2206         ddphi_S  = gmx_simd_mul_r(ddphi_S, sin_S);
2207
2208         sf_i_S   = gmx_simd_mul_r(ddphi_S, nrkj_m2_S);
2209         msf_l_S  = gmx_simd_mul_r(ddphi_S, nrkj_n2_S);
2210
2211         /* After this m?_S will contain f[i] */
2212         mx_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mx_S);
2213         my_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, my_S);
2214         mz_S     = gmx_simd_mul_r(sf_i_S, mz_S);
2215
2216         /* After this m?_S will contain -f[l] */
2217         nx_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nx_S);
2218         ny_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, ny_S);
2219         nz_S     = gmx_simd_mul_r(msf_l_S, nz_S);
2220
2221         gmx_simd_store_r(dr + 0*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mx_S);
2222         gmx_simd_store_r(dr + 1*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, my_S);
2223         gmx_simd_store_r(dr + 2*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, mz_S);
2224         gmx_simd_store_r(dr + 3*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nx_S);
2225         gmx_simd_store_r(dr + 4*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, ny_S);
2226         gmx_simd_store_r(dr + 5*GMX_SIMD_REAL_WIDTH, nz_S);
2227
2228         iu = i;
2229         s  = 0;
2230         do
2231         {
2232             do_dih_fup_noshiftf_precalc(ai[s], aj[s], ak[s], al[s],
2233                                         p[s], q[s],
2234                                         dr[     XX *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2235                                         dr[     YY *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2236                                         dr[     ZZ *GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2237                                         dr[(DIM+XX)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2238                                         dr[(DIM+YY)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2239                                         dr[(DIM+ZZ)*GMX_SIMD_REAL_WIDTH+s],
2240                                         f);
2241             s++;
2242             iu += nfa1;
2243         }
2244         while (s < GMX_SIMD_REAL_WIDTH && iu < nbonds);
2245     }
2246 }
2247
2248 #endif /* GMX_SIMD_HAVE_REAL */
2249
2250
2251 real idihs(int nbonds,
2252            const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2253            const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2254            const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2255            real lambda, real *dvdlambda,
2256            const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2257            int gmx_unused *global_atom_index)
2258 {
2259     int  i, type, ai, aj, ak, al;
2260     int  t1, t2, t3;
2261     real phi, phi0, dphi0, ddphi, sign, vtot;
2262     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2263     real L1, kk, dp, dp2, kA, kB, pA, pB, dvdl_term;
2264
2265     L1        = 1.0-lambda;
2266     dvdl_term = 0;
2267     vtot      = 0.0;
2268     for (i = 0; (i < nbonds); )
2269     {
2270         type = forceatoms[i++];
2271         ai   = forceatoms[i++];
2272         aj   = forceatoms[i++];
2273         ak   = forceatoms[i++];
2274         al   = forceatoms[i++];
2275
2276         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2277                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
2278
2279         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2280          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2281          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2282          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2283          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2284          * the potential.
2285          */
2286         kA = forceparams[type].harmonic.krA;
2287         kB = forceparams[type].harmonic.krB;
2288         pA = forceparams[type].harmonic.rA;
2289         pB = forceparams[type].harmonic.rB;
2290
2291         kk    = L1*kA + lambda*kB;
2292         phi0  = (L1*pA + lambda*pB)*DEG2RAD;
2293         dphi0 = (pB - pA)*DEG2RAD;
2294
2295         dp = phi-phi0;
2296
2297         make_dp_periodic(&dp);
2298
2299         dp2 = dp*dp;
2300
2301         vtot += 0.5*kk*dp2;
2302         ddphi = -kk*dp;
2303
2304         dvdl_term += 0.5*(kB - kA)*dp2 - kk*dphi0*dp;
2305
2306         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, -ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2307                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
2308         /* 218 TOTAL    */
2309 #ifdef DEBUG
2310         if (debug)
2311         {
2312             fprintf(debug, "idih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
2313                     ai, aj, ak, al, phi);
2314         }
2315 #endif
2316     }
2317
2318     *dvdlambda += dvdl_term;
2319     return vtot;
2320 }
2321
2322
2323 /*! \brief returns dx, rdist, and dpdl for functions posres() and fbposres()
2324  */
2325 static void posres_dx(const rvec x, const rvec pos0A, const rvec pos0B,
2326                       const rvec comA_sc, const rvec comB_sc,
2327                       real lambda,
2328                       t_pbc *pbc, int refcoord_scaling, int npbcdim,
2329                       rvec dx, rvec rdist, rvec dpdl)
2330 {
2331     int  m, d;
2332     real posA, posB, L1, ref = 0.;
2333     rvec pos;
2334
2335     L1 = 1.0-lambda;
2336
2337     for (m = 0; m < DIM; m++)
2338     {
2339         posA = pos0A[m];
2340         posB = pos0B[m];
2341         if (m < npbcdim)
2342         {
2343             switch (refcoord_scaling)
2344             {
2345                 case erscNO:
2346                     ref      = 0;
2347                     rdist[m] = L1*posA + lambda*posB;
2348                     dpdl[m]  = posB - posA;
2349                     break;
2350                 case erscALL:
2351                     /* Box relative coordinates are stored for dimensions with pbc */
2352                     posA *= pbc->box[m][m];
2353                     posB *= pbc->box[m][m];
2354                     assert(npbcdim <= DIM);
2355                     for (d = m+1; d < npbcdim; d++)
2356                     {
2357                         posA += pos0A[d]*pbc->box[d][m];
2358                         posB += pos0B[d]*pbc->box[d][m];
2359                     }
2360                     ref      = L1*posA + lambda*posB;
2361                     rdist[m] = 0;
2362                     dpdl[m]  = posB - posA;
2363                     break;
2364                 case erscCOM:
2365                     ref      = L1*comA_sc[m] + lambda*comB_sc[m];
2366                     rdist[m] = L1*posA       + lambda*posB;
2367                     dpdl[m]  = comB_sc[m] - comA_sc[m] + posB - posA;
2368                     break;
2369                 default:
2370                     gmx_fatal(FARGS, "No such scaling method implemented");
2371             }
2372         }
2373         else
2374         {
2375             ref      = L1*posA + lambda*posB;
2376             rdist[m] = 0;
2377             dpdl[m]  = posB - posA;
2378         }
2379
2380         /* We do pbc_dx with ref+rdist,
2381          * since with only ref we can be up to half a box vector wrong.
2382          */
2383         pos[m] = ref + rdist[m];
2384     }
2385
2386     if (pbc)
2387     {
2388         pbc_dx(pbc, x, pos, dx);
2389     }
2390     else
2391     {
2392         rvec_sub(x, pos, dx);
2393     }
2394 }
2395
2396 /*! \brief Computes forces and potential for flat-bottom cylindrical restraints.
2397  *         Returns the flat-bottom potential. */
2398 static real do_fbposres_cylinder(int fbdim, rvec fm, rvec dx, real rfb, real kk, gmx_bool bInvert)
2399 {
2400     int     d;
2401     real    dr, dr2, invdr, v, rfb2;
2402
2403     dr2  = 0.0;
2404     rfb2 = sqr(rfb);
2405     v    = 0.0;
2406
2407     for (d = 0; d < DIM; d++)
2408     {
2409         if (d != fbdim)
2410         {
2411             dr2 += sqr(dx[d]);
2412         }
2413     }
2414
2415     if  (dr2 > 0.0 &&
2416          ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2417          )
2418     {
2419         dr     = sqrt(dr2);
2420         invdr  = 1./dr;
2421         v      = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2422         for (d = 0; d < DIM; d++)
2423         {
2424             if (d != fbdim)
2425             {
2426                 fm[d] = -kk*(dr-rfb)*dx[d]*invdr; /* Force pointing to the center */
2427             }
2428         }
2429     }
2430
2431     return v;
2432 }
2433
2434 /*! \brief Adds forces of flat-bottomed positions restraints to f[]
2435  *         and fixes vir_diag. Returns the flat-bottomed potential. */
2436 real fbposres(int nbonds,
2437               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2438               const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2439               t_pbc *pbc,
2440               int refcoord_scaling, int ePBC, rvec com)
2441 /* compute flat-bottomed positions restraints */
2442 {
2443     int              i, ai, m, d, type, npbcdim = 0, fbdim;
2444     const t_iparams *pr;
2445     real             vtot, kk, v;
2446     real             dr, dr2, rfb, rfb2, fact;
2447     rvec             com_sc, rdist, dx, dpdl, fm;
2448     gmx_bool         bInvert;
2449
2450     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2451
2452     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2453     {
2454         clear_rvec(com_sc);
2455         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2456         {
2457             assert(npbcdim <= DIM);
2458             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2459             {
2460                 com_sc[m] += com[d]*pbc->box[d][m];
2461             }
2462         }
2463     }
2464
2465     vtot = 0.0;
2466     for (i = 0; (i < nbonds); )
2467     {
2468         type = forceatoms[i++];
2469         ai   = forceatoms[i++];
2470         pr   = &forceparams[type];
2471
2472         /* same calculation as for normal posres, but with identical A and B states, and lambda==0 */
2473         posres_dx(x[ai], forceparams[type].fbposres.pos0, forceparams[type].fbposres.pos0,
2474                   com_sc, com_sc, 0.0,
2475                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2476                   dx, rdist, dpdl);
2477
2478         clear_rvec(fm);
2479         v = 0.0;
2480
2481         kk   = pr->fbposres.k;
2482         rfb  = pr->fbposres.r;
2483         rfb2 = sqr(rfb);
2484
2485         /* with rfb<0, push particle out of the sphere/cylinder/layer */
2486         bInvert = FALSE;
2487         if (rfb < 0.)
2488         {
2489             bInvert = TRUE;
2490             rfb     = -rfb;
2491         }
2492
2493         switch (pr->fbposres.geom)
2494         {
2495             case efbposresSPHERE:
2496                 /* spherical flat-bottom posres */
2497                 dr2 = norm2(dx);
2498                 if (dr2 > 0.0 &&
2499                     ( (dr2 > rfb2 && bInvert == FALSE ) || (dr2 < rfb2 && bInvert == TRUE ) )
2500                     )
2501                 {
2502                     dr   = sqrt(dr2);
2503                     v    = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2504                     fact = -kk*(dr-rfb)/dr; /* Force pointing to the center pos0 */
2505                     svmul(fact, dx, fm);
2506                 }
2507                 break;
2508             case efbposresCYLINDERX:
2509                 /* cylindrical flat-bottom posres in y-z plane. fm[XX] = 0. */
2510                 fbdim = XX;
2511                 v     = do_fbposres_cylinder(fbdim, fm, dx, rfb, kk, bInvert);
2512                 break;
2513             case efbposresCYLINDERY:
2514                 /* cylindrical flat-bottom posres in x-z plane. fm[YY] = 0. */
2515                 fbdim = YY;
2516                 v     = do_fbposres_cylinder(fbdim, fm, dx, rfb, kk, bInvert);
2517                 break;
2518             case efbposresCYLINDER:
2519             /* equivalent to efbposresCYLINDERZ for backwards compatibility */
2520             case efbposresCYLINDERZ:
2521                 /* cylindrical flat-bottom posres in x-y plane. fm[ZZ] = 0. */
2522                 fbdim = ZZ;
2523                 v     = do_fbposres_cylinder(fbdim, fm, dx, rfb, kk, bInvert);
2524                 break;
2525             case efbposresX: /* fbdim=XX */
2526             case efbposresY: /* fbdim=YY */
2527             case efbposresZ: /* fbdim=ZZ */
2528                 /* 1D flat-bottom potential */
2529                 fbdim = pr->fbposres.geom - efbposresX;
2530                 dr    = dx[fbdim];
2531                 if ( ( dr > rfb && bInvert == FALSE ) || ( 0 < dr && dr < rfb && bInvert == TRUE )  )
2532                 {
2533                     v         = 0.5*kk*sqr(dr - rfb);
2534                     fm[fbdim] = -kk*(dr - rfb);
2535                 }
2536                 else if ( (dr < (-rfb) && bInvert == FALSE ) || ( (-rfb) < dr && dr < 0 && bInvert == TRUE ))
2537                 {
2538                     v         = 0.5*kk*sqr(dr + rfb);
2539                     fm[fbdim] = -kk*(dr + rfb);
2540                 }
2541                 break;
2542         }
2543
2544         vtot += v;
2545
2546         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2547         {
2548             f[ai][m]   += fm[m];
2549             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2550             vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm[m];
2551         }
2552     }
2553
2554     return vtot;
2555 }
2556
2557
2558 real posres(int nbonds,
2559             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2560             const rvec x[], rvec f[], rvec vir_diag,
2561             t_pbc *pbc,
2562             real lambda, real *dvdlambda,
2563             int refcoord_scaling, int ePBC, rvec comA, rvec comB)
2564 {
2565     int              i, ai, m, d, type, npbcdim = 0;
2566     const t_iparams *pr;
2567     real             L1;
2568     real             vtot, kk, fm;
2569     rvec             comA_sc, comB_sc, rdist, dpdl, dx;
2570     gmx_bool         bForceValid = TRUE;
2571
2572     if ((f == NULL) || (vir_diag == NULL))    /* should both be null together! */
2573     {
2574         bForceValid = FALSE;
2575     }
2576
2577     npbcdim = ePBC2npbcdim(ePBC);
2578
2579     if (refcoord_scaling == erscCOM)
2580     {
2581         clear_rvec(comA_sc);
2582         clear_rvec(comB_sc);
2583         for (m = 0; m < npbcdim; m++)
2584         {
2585             assert(npbcdim <= DIM);
2586             for (d = m; d < npbcdim; d++)
2587             {
2588                 comA_sc[m] += comA[d]*pbc->box[d][m];
2589                 comB_sc[m] += comB[d]*pbc->box[d][m];
2590             }
2591         }
2592     }
2593
2594     L1 = 1.0 - lambda;
2595
2596     vtot = 0.0;
2597     for (i = 0; (i < nbonds); )
2598     {
2599         type = forceatoms[i++];
2600         ai   = forceatoms[i++];
2601         pr   = &forceparams[type];
2602
2603         /* return dx, rdist, and dpdl */
2604         posres_dx(x[ai], forceparams[type].posres.pos0A, forceparams[type].posres.pos0B,
2605                   comA_sc, comB_sc, lambda,
2606                   pbc, refcoord_scaling, npbcdim,
2607                   dx, rdist, dpdl);
2608
2609         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2610         {
2611             kk          = L1*pr->posres.fcA[m] + lambda*pr->posres.fcB[m];
2612             fm          = -kk*dx[m];
2613             vtot       += 0.5*kk*dx[m]*dx[m];
2614             *dvdlambda +=
2615                 0.5*(pr->posres.fcB[m] - pr->posres.fcA[m])*dx[m]*dx[m]
2616                 + fm*dpdl[m];
2617
2618             /* Here we correct for the pbc_dx which included rdist */
2619             if (bForceValid)
2620             {
2621                 f[ai][m]    += fm;
2622                 vir_diag[m] -= 0.5*(dx[m] + rdist[m])*fm;
2623             }
2624         }
2625     }
2626
2627     return vtot;
2628 }
2629
2630 static real low_angres(int nbonds,
2631                        const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2632                        const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2633                        const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2634                        real lambda, real *dvdlambda,
2635                        gmx_bool bZAxis)
2636 {
2637     int  i, m, type, ai, aj, ak, al;
2638     int  t1, t2;
2639     real phi, cos_phi, cos_phi2, vid, vtot, dVdphi;
2640     rvec r_ij, r_kl, f_i, f_k = {0, 0, 0};
2641     real st, sth, nrij2, nrkl2, c, cij, ckl;
2642
2643     ivec dt;
2644     t2 = 0; /* avoid warning with gcc-3.3. It is never used uninitialized */
2645
2646     vtot = 0.0;
2647     ak   = al = 0; /* to avoid warnings */
2648     for (i = 0; i < nbonds; )
2649     {
2650         type = forceatoms[i++];
2651         ai   = forceatoms[i++];
2652         aj   = forceatoms[i++];
2653         t1   = pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], r_ij);       /*  3               */
2654         if (!bZAxis)
2655         {
2656             ak   = forceatoms[i++];
2657             al   = forceatoms[i++];
2658             t2   = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], r_kl);  /*  3                */
2659         }
2660         else
2661         {
2662             r_kl[XX] = 0;
2663             r_kl[YY] = 0;
2664             r_kl[ZZ] = 1;
2665         }
2666
2667         cos_phi = cos_angle(r_ij, r_kl); /* 25          */
2668         phi     = acos(cos_phi);         /* 10           */
2669
2670         *dvdlambda += dopdihs_min(forceparams[type].pdihs.cpA,
2671                                   forceparams[type].pdihs.cpB,
2672                                   forceparams[type].pdihs.phiA,
2673                                   forceparams[type].pdihs.phiB,
2674                                   forceparams[type].pdihs.mult,
2675                                   phi, lambda, &vid, &dVdphi); /*  40  */
2676
2677         vtot += vid;
2678
2679         cos_phi2 = sqr(cos_phi);                /*   1          */
2680         if (cos_phi2 < 1)
2681         {
2682             st    = -dVdphi*gmx_invsqrt(1 - cos_phi2); /*  12           */
2683             sth   = st*cos_phi;                        /*   1           */
2684             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);                 /*   5           */
2685             nrkl2 = iprod(r_kl, r_kl);                 /*   5          */
2686
2687             c   = st*gmx_invsqrt(nrij2*nrkl2);         /*  11           */
2688             cij = sth/nrij2;                           /*  10           */
2689             ckl = sth/nrkl2;                           /*  10           */
2690
2691             for (m = 0; m < DIM; m++)                  /*  18+18       */
2692             {
2693                 f_i[m]    = (c*r_kl[m]-cij*r_ij[m]);
2694                 f[ai][m] += f_i[m];
2695                 f[aj][m] -= f_i[m];
2696                 if (!bZAxis)
2697                 {
2698                     f_k[m]    = (c*r_ij[m]-ckl*r_kl[m]);
2699                     f[ak][m] += f_k[m];
2700                     f[al][m] -= f_k[m];
2701                 }
2702             }
2703
2704             if (g)
2705             {
2706                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
2707                 t1 = IVEC2IS(dt);
2708             }
2709             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2710             rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_i);
2711             if (!bZAxis)
2712             {
2713                 if (g)
2714                 {
2715                     ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), SHIFT_IVEC(g, al), dt);
2716                     t2 = IVEC2IS(dt);
2717                 }
2718                 rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2719                 rvec_dec(fshift[CENTRAL], f_k);
2720             }
2721         }
2722     }
2723
2724     return vtot; /*  184 / 157 (bZAxis)  total  */
2725 }
2726
2727 real angres(int nbonds,
2728             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2729             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2730             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2731             real lambda, real *dvdlambda,
2732             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2733             int gmx_unused *global_atom_index)
2734 {
2735     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2736                       lambda, dvdlambda, FALSE);
2737 }
2738
2739 real angresz(int nbonds,
2740              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2741              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2742              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2743              real lambda, real *dvdlambda,
2744              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2745              int gmx_unused *global_atom_index)
2746 {
2747     return low_angres(nbonds, forceatoms, forceparams, x, f, fshift, pbc, g,
2748                       lambda, dvdlambda, TRUE);
2749 }
2750
2751 real dihres(int nbonds,
2752             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2753             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2754             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2755             real lambda, real *dvdlambda,
2756             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2757             int gmx_unused  *global_atom_index)
2758 {
2759     real vtot = 0;
2760     int  ai, aj, ak, al, i, k, type, t1, t2, t3;
2761     real phi0A, phi0B, dphiA, dphiB, kfacA, kfacB, phi0, dphi, kfac;
2762     real phi, ddphi, ddp, ddp2, dp, sign, d2r, L1;
2763     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
2764
2765     L1 = 1.0-lambda;
2766
2767     d2r = DEG2RAD;
2768     k   = 0;
2769
2770     for (i = 0; (i < nbonds); )
2771     {
2772         type = forceatoms[i++];
2773         ai   = forceatoms[i++];
2774         aj   = forceatoms[i++];
2775         ak   = forceatoms[i++];
2776         al   = forceatoms[i++];
2777
2778         phi0A  = forceparams[type].dihres.phiA*d2r;
2779         dphiA  = forceparams[type].dihres.dphiA*d2r;
2780         kfacA  = forceparams[type].dihres.kfacA;
2781
2782         phi0B  = forceparams[type].dihres.phiB*d2r;
2783         dphiB  = forceparams[type].dihres.dphiB*d2r;
2784         kfacB  = forceparams[type].dihres.kfacB;
2785
2786         phi0  = L1*phi0A + lambda*phi0B;
2787         dphi  = L1*dphiA + lambda*dphiB;
2788         kfac  = L1*kfacA + lambda*kfacB;
2789
2790         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2791                         &sign, &t1, &t2, &t3);
2792         /* 84 flops */
2793
2794         if (debug)
2795         {
2796             fprintf(debug, "dihres[%d]: %d %d %d %d : phi=%f, dphi=%f, kfac=%f\n",
2797                     k++, ai, aj, ak, al, phi0, dphi, kfac);
2798         }
2799         /* phi can jump if phi0 is close to Pi/-Pi, which will cause huge
2800          * force changes if we just apply a normal harmonic.
2801          * Instead, we first calculate phi-phi0 and take it modulo (-Pi,Pi).
2802          * This means we will never have the periodicity problem, unless
2803          * the dihedral is Pi away from phiO, which is very unlikely due to
2804          * the potential.
2805          */
2806         dp = phi-phi0;
2807         make_dp_periodic(&dp);
2808
2809         if (dp > dphi)
2810         {
2811             ddp = dp-dphi;
2812         }
2813         else if (dp < -dphi)
2814         {
2815             ddp = dp+dphi;
2816         }
2817         else
2818         {
2819             ddp = 0;
2820         }
2821
2822         if (ddp != 0.0)
2823         {
2824             ddp2  = ddp*ddp;
2825             vtot += 0.5*kfac*ddp2;
2826             ddphi = kfac*ddp;
2827
2828             *dvdlambda += 0.5*(kfacB - kfacA)*ddp2;
2829             /* lambda dependence from changing restraint distances */
2830             if (ddp > 0)
2831             {
2832                 *dvdlambda -= kfac*ddp*((dphiB - dphiA)+(phi0B - phi0A));
2833             }
2834             else if (ddp < 0)
2835             {
2836                 *dvdlambda += kfac*ddp*((dphiB - dphiA)-(phi0B - phi0A));
2837             }
2838             do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
2839                        f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3);      /* 112           */
2840         }
2841     }
2842     return vtot;
2843 }
2844
2845
2846 real unimplemented(int gmx_unused nbonds,
2847                    const t_iatom gmx_unused forceatoms[], const t_iparams gmx_unused forceparams[],
2848                    const rvec gmx_unused x[], rvec gmx_unused f[], rvec gmx_unused fshift[],
2849                    const t_pbc gmx_unused *pbc, const t_graph  gmx_unused *g,
2850                    real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2851                    const t_mdatoms  gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2852                    int gmx_unused *global_atom_index)
2853 {
2854     gmx_impl("*** you are using a not implemented function");
2855
2856     return 0.0; /* To make the compiler happy */
2857 }
2858
2859 real restrangles(int nbonds,
2860                  const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2861                  const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2862                  const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2863                  real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
2864                  const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2865                  int gmx_unused *global_atom_index)
2866 {
2867     int  i, d, ai, aj, ak, type, m;
2868     int  t1, t2;
2869     real v, vtot;
2870     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
2871     rvec f_i, f_j, f_k;
2872     real prefactor, ratio_ante, ratio_post;
2873     rvec delta_ante, delta_post, vec_temp;
2874
2875     vtot = 0.0;
2876     for (i = 0; (i < nbonds); )
2877     {
2878         type = forceatoms[i++];
2879         ai   = forceatoms[i++];
2880         aj   = forceatoms[i++];
2881         ak   = forceatoms[i++];
2882
2883         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], vec_temp);
2884         pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], delta_ante);
2885         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], delta_post);
2886
2887
2888         /* This function computes factors needed for restricted angle potential.
2889          * The restricted angle potential is used in coarse-grained simulations to avoid singularities
2890          * when three particles align and the dihedral angle and dihedral potential
2891          * cannot be calculated. This potential is calculated using the formula:
2892            real restrangles(int nbonds,
2893             const t_iatom forceatoms[],const t_iparams forceparams[],
2894             const rvec x[],rvec f[],rvec fshift[],
2895             const t_pbc *pbc,const t_graph *g,
2896             real gmx_unused lambda,real gmx_unused *dvdlambda,
2897             const t_mdatoms gmx_unused *md,t_fcdata gmx_unused *fcd,
2898             int gmx_unused *global_atom_index)
2899            {
2900            int  i, d, ai, aj, ak, type, m;
2901            int t1, t2;
2902            rvec r_ij,r_kj;
2903            real v, vtot;
2904            ivec jt,dt_ij,dt_kj;
2905            rvec f_i, f_j, f_k;
2906            real prefactor, ratio_ante, ratio_post;
2907            rvec delta_ante, delta_post, vec_temp;
2908
2909            vtot = 0.0;
2910            for(i=0; (i<nbonds); )
2911            {
2912            type = forceatoms[i++];
2913            ai   = forceatoms[i++];
2914            aj   = forceatoms[i++];
2915            ak   = forceatoms[i++];
2916
2917          * \f[V_{\rm ReB}(\theta_i) = \frac{1}{2} k_{\theta} \frac{(\cos\theta_i - \cos\theta_0)^2}
2918          * {\sin^2\theta_i}\f] ({eq:ReB} and ref \cite{MonicaGoga2013} from the manual).
2919          * For more explanations see comments file "restcbt.h". */
2920
2921         compute_factors_restangles(type, forceparams,  delta_ante, delta_post,
2922                                    &prefactor, &ratio_ante, &ratio_post, &v);
2923
2924         /*   Forces are computed per component */
2925         for (d = 0; d < DIM; d++)
2926         {
2927             f_i[d] = prefactor * (ratio_ante * delta_ante[d] - delta_post[d]);
2928             f_j[d] = prefactor * ((ratio_post + 1.0) * delta_post[d] - (ratio_ante + 1.0) * delta_ante[d]);
2929             f_k[d] = prefactor * (delta_ante[d] - ratio_post * delta_post[d]);
2930         }
2931
2932         /*   Computation of potential energy   */
2933
2934         vtot += v;
2935
2936         /*   Update forces */
2937
2938         for (m = 0; (m < DIM); m++)
2939         {
2940             f[ai][m] += f_i[m];
2941             f[aj][m] += f_j[m];
2942             f[ak][m] += f_k[m];
2943         }
2944
2945         if (g)
2946         {
2947             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
2948             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
2949             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
2950             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
2951             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
2952         }
2953
2954         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
2955         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
2956         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
2957     }
2958     return vtot;
2959 }
2960
2961
2962 real restrdihs(int nbonds,
2963                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
2964                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
2965                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
2966                real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvlambda,
2967                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
2968                int gmx_unused *global_atom_index)
2969 {
2970     int  i, d, type, ai, aj, ak, al;
2971     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
2972     rvec dx_jl;
2973     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
2974     int  t1, t2, t3;
2975     real v, vtot;
2976     rvec delta_ante,  delta_crnt, delta_post, vec_temp;
2977     real factor_phi_ai_ante, factor_phi_ai_crnt, factor_phi_ai_post;
2978     real factor_phi_aj_ante, factor_phi_aj_crnt, factor_phi_aj_post;
2979     real factor_phi_ak_ante, factor_phi_ak_crnt, factor_phi_ak_post;
2980     real factor_phi_al_ante, factor_phi_al_crnt, factor_phi_al_post;
2981     real prefactor_phi;
2982
2983
2984     vtot = 0.0;
2985     for (i = 0; (i < nbonds); )
2986     {
2987         type = forceatoms[i++];
2988         ai   = forceatoms[i++];
2989         aj   = forceatoms[i++];
2990         ak   = forceatoms[i++];
2991         al   = forceatoms[i++];
2992
2993         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], vec_temp);
2994         pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], delta_ante);
2995         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], delta_crnt);
2996         pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[al], vec_temp);
2997         pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], delta_post);
2998
2999         /* This function computes factors needed for restricted angle potential.
3000          * The restricted angle potential is used in coarse-grained simulations to avoid singularities
3001          * when three particles align and the dihedral angle and dihedral potential cannot be calculated.
3002          * This potential is calculated using the formula:
3003          * \f[V_{\rm ReB}(\theta_i) = \frac{1}{2} k_{\theta}
3004          * \frac{(\cos\theta_i - \cos\theta_0)^2}{\sin^2\theta_i}\f]
3005          * ({eq:ReB} and ref \cite{MonicaGoga2013} from the manual).
3006          * For more explanations see comments file "restcbt.h" */
3007
3008         compute_factors_restrdihs(type, forceparams,
3009                                   delta_ante, delta_crnt, delta_post,
3010                                   &factor_phi_ai_ante, &factor_phi_ai_crnt, &factor_phi_ai_post,
3011                                   &factor_phi_aj_ante, &factor_phi_aj_crnt, &factor_phi_aj_post,
3012                                   &factor_phi_ak_ante, &factor_phi_ak_crnt, &factor_phi_ak_post,
3013                                   &factor_phi_al_ante, &factor_phi_al_crnt, &factor_phi_al_post,
3014                                   &prefactor_phi, &v);
3015
3016
3017         /*      Computation of forces per component */
3018         for (d = 0; d < DIM; d++)
3019         {
3020             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]);
3021             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]);
3022             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]);
3023             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]);
3024         }
3025         /*      Computation of the energy */
3026
3027         vtot += v;
3028
3029
3030
3031         /*    Updating the forces */
3032
3033         rvec_inc(f[ai], f_i);
3034         rvec_inc(f[aj], f_j);
3035         rvec_inc(f[ak], f_k);
3036         rvec_inc(f[al], f_l);
3037
3038
3039         /* Updating the fshift forces for the pressure coupling */
3040         if (g)
3041         {
3042             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3043             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3044             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3045             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, al), jt, dt_lj);
3046             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3047             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3048             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
3049         }
3050         else if (pbc)
3051         {
3052             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[aj], dx_jl);
3053         }
3054         else
3055         {
3056             t3 = CENTRAL;
3057         }
3058
3059         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3060         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3061         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
3062         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
3063
3064     }
3065
3066     return vtot;
3067 }
3068
3069
3070 real cbtdihs(int nbonds,
3071              const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3072              const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3073              const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3074              real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3075              const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3076              int gmx_unused *global_atom_index)
3077 {
3078     int  type, ai, aj, ak, al, i, d;
3079     int  t1, t2, t3;
3080     real v, vtot;
3081     rvec vec_temp;
3082     rvec f_i, f_j, f_k, f_l;
3083     ivec jt, dt_ij, dt_kj, dt_lj;
3084     rvec dx_jl;
3085     rvec delta_ante, delta_crnt, delta_post;
3086     rvec f_phi_ai, f_phi_aj, f_phi_ak, f_phi_al;
3087     rvec f_theta_ante_ai, f_theta_ante_aj, f_theta_ante_ak;
3088     rvec f_theta_post_aj, f_theta_post_ak, f_theta_post_al;
3089
3090
3091
3092
3093     vtot = 0.0;
3094     for (i = 0; (i < nbonds); )
3095     {
3096         type = forceatoms[i++];
3097         ai   = forceatoms[i++];
3098         aj   = forceatoms[i++];
3099         ak   = forceatoms[i++];
3100         al   = forceatoms[i++];
3101
3102
3103         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], vec_temp);
3104         pbc_rvec_sub(pbc, x[aj], x[ai], delta_ante);
3105         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], vec_temp);
3106         pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], delta_crnt);
3107         pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[al], vec_temp);
3108         pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[ak], delta_post);
3109
3110         /* \brief Compute factors for CBT potential
3111          * The combined bending-torsion potential goes to zero in a very smooth manner, eliminating the numerical
3112          * instabilities, when three coarse-grained particles align and the dihedral angle and standard
3113          * dihedral potentials cannot be calculated. The CBT potential is calculated using the formula:
3114          * \f[V_{\rm CBT}(\theta_{i-1}, \theta_i, \phi_i) = k_{\phi} \sin^3\theta_{i-1} \sin^3\theta_{i}
3115          * \sum_{n=0}^4 { a_n \cos^n\phi_i}\f] ({eq:CBT} and ref \cite{MonicaGoga2013} from the manual).
3116          * It contains in its expression not only the dihedral angle \f$\phi\f$
3117          * but also \f[\theta_{i-1}\f] (theta_ante bellow) and \f[\theta_{i}\f] (theta_post bellow)
3118          * --- the adjacent bending angles.
3119          * For more explanations see comments file "restcbt.h". */
3120
3121         compute_factors_cbtdihs(type, forceparams, delta_ante, delta_crnt, delta_post,
3122                                 f_phi_ai, f_phi_aj, f_phi_ak, f_phi_al,
3123                                 f_theta_ante_ai, f_theta_ante_aj, f_theta_ante_ak,
3124                                 f_theta_post_aj, f_theta_post_ak, f_theta_post_al,
3125                                 &v);
3126
3127
3128         /*      Acumulate the resuts per beads */
3129         for (d = 0; d < DIM; d++)
3130         {
3131             f_i[d] = f_phi_ai[d] + f_theta_ante_ai[d];
3132             f_j[d] = f_phi_aj[d] + f_theta_ante_aj[d] + f_theta_post_aj[d];
3133             f_k[d] = f_phi_ak[d] + f_theta_ante_ak[d] + f_theta_post_ak[d];
3134             f_l[d] = f_phi_al[d] + f_theta_post_al[d];
3135         }
3136
3137         /*      Compute the potential energy */
3138
3139         vtot += v;
3140
3141
3142         /*  Updating the forces */
3143         rvec_inc(f[ai], f_i);
3144         rvec_inc(f[aj], f_j);
3145         rvec_inc(f[ak], f_k);
3146         rvec_inc(f[al], f_l);
3147
3148
3149         /* Updating the fshift forces for the pressure coupling */
3150         if (g)
3151         {
3152             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3153             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3154             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3155             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, al), jt, dt_lj);
3156             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3157             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3158             t3 = IVEC2IS(dt_lj);
3159         }
3160         else if (pbc)
3161         {
3162             t3 = pbc_rvec_sub(pbc, x[al], x[aj], dx_jl);
3163         }
3164         else
3165         {
3166             t3 = CENTRAL;
3167         }
3168
3169         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3170         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3171         rvec_inc(fshift[t2], f_k);
3172         rvec_inc(fshift[t3], f_l);
3173     }
3174
3175     return vtot;
3176 }
3177
3178 real rbdihs(int nbonds,
3179             const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3180             const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3181             const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3182             real lambda, real *dvdlambda,
3183             const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3184             int gmx_unused *global_atom_index)
3185 {
3186     const real c0 = 0.0, c1 = 1.0, c2 = 2.0, c3 = 3.0, c4 = 4.0, c5 = 5.0;
3187     int        type, ai, aj, ak, al, i, j;
3188     int        t1, t2, t3;
3189     rvec       r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
3190     real       parmA[NR_RBDIHS];
3191     real       parmB[NR_RBDIHS];
3192     real       parm[NR_RBDIHS];
3193     real       cos_phi, phi, rbp, rbpBA;
3194     real       v, sign, ddphi, sin_phi;
3195     real       cosfac, vtot;
3196     real       L1        = 1.0-lambda;
3197     real       dvdl_term = 0;
3198
3199     vtot = 0.0;
3200     for (i = 0; (i < nbonds); )
3201     {
3202         type = forceatoms[i++];
3203         ai   = forceatoms[i++];
3204         aj   = forceatoms[i++];
3205         ak   = forceatoms[i++];
3206         al   = forceatoms[i++];
3207
3208         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3209                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84          */
3210
3211         /* Change to polymer convention */
3212         if (phi < c0)
3213         {
3214             phi += M_PI;
3215         }
3216         else
3217         {
3218             phi -= M_PI;    /*   1              */
3219
3220         }
3221         cos_phi = cos(phi);
3222         /* Beware of accuracy loss, cannot use 1-sqrt(cos^2) ! */
3223         sin_phi = sin(phi);
3224
3225         for (j = 0; (j < NR_RBDIHS); j++)
3226         {
3227             parmA[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcA[j];
3228             parmB[j] = forceparams[type].rbdihs.rbcB[j];
3229             parm[j]  = L1*parmA[j]+lambda*parmB[j];
3230         }
3231         /* Calculate cosine powers */
3232         /* Calculate the energy */
3233         /* Calculate the derivative */
3234
3235         v            = parm[0];
3236         dvdl_term   += (parmB[0]-parmA[0]);
3237         ddphi        = c0;
3238         cosfac       = c1;
3239
3240         rbp          = parm[1];
3241         rbpBA        = parmB[1]-parmA[1];
3242         ddphi       += rbp*cosfac;
3243         cosfac      *= cos_phi;
3244         v           += cosfac*rbp;
3245         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3246         rbp          = parm[2];
3247         rbpBA        = parmB[2]-parmA[2];
3248         ddphi       += c2*rbp*cosfac;
3249         cosfac      *= cos_phi;
3250         v           += cosfac*rbp;
3251         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3252         rbp          = parm[3];
3253         rbpBA        = parmB[3]-parmA[3];
3254         ddphi       += c3*rbp*cosfac;
3255         cosfac      *= cos_phi;
3256         v           += cosfac*rbp;
3257         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3258         rbp          = parm[4];
3259         rbpBA        = parmB[4]-parmA[4];
3260         ddphi       += c4*rbp*cosfac;
3261         cosfac      *= cos_phi;
3262         v           += cosfac*rbp;
3263         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3264         rbp          = parm[5];
3265         rbpBA        = parmB[5]-parmA[5];
3266         ddphi       += c5*rbp*cosfac;
3267         cosfac      *= cos_phi;
3268         v           += cosfac*rbp;
3269         dvdl_term   += cosfac*rbpBA;
3270
3271         ddphi = -ddphi*sin_phi;         /*  11          */
3272
3273         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
3274                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112            */
3275         vtot += v;
3276     }
3277     *dvdlambda += dvdl_term;
3278
3279     return vtot;
3280 }
3281
3282 //! \endcond
3283
3284 /*! \brief Mysterious undocumented function */
3285 static int
3286 cmap_setup_grid_index(int ip, int grid_spacing, int *ipm1, int *ipp1, int *ipp2)
3287 {
3288     int im1, ip1, ip2;
3289
3290     if (ip < 0)
3291     {
3292         ip = ip + grid_spacing - 1;
3293     }
3294     else if (ip > grid_spacing)
3295     {
3296         ip = ip - grid_spacing - 1;
3297     }
3298
3299     im1 = ip - 1;
3300     ip1 = ip + 1;
3301     ip2 = ip + 2;
3302
3303     if (ip == 0)
3304     {
3305         im1 = grid_spacing - 1;
3306     }
3307     else if (ip == grid_spacing-2)
3308     {
3309         ip2 = 0;
3310     }
3311     else if (ip == grid_spacing-1)
3312     {
3313         ip1 = 0;
3314         ip2 = 1;
3315     }
3316
3317     *ipm1 = im1;
3318     *ipp1 = ip1;
3319     *ipp2 = ip2;
3320
3321     return ip;
3322
3323 }
3324
3325 /*! \brief Compute CMAP dihedral energies and forces */
3326 static real
3327 cmap_dihs(int nbonds,
3328           const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3329           const gmx_cmap_t *cmap_grid,
3330           const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3331           const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3332           real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3333           const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3334           int  gmx_unused *global_atom_index)
3335 {
3336     int         i, j, k, n, idx;
3337     int         ai, aj, ak, al, am;
3338     int         a1i, a1j, a1k, a1l, a2i, a2j, a2k, a2l;
3339     int         type, cmapA;
3340     int         t11, t21, t31, t12, t22, t32;
3341     int         iphi1, ip1m1, ip1p1, ip1p2;
3342     int         iphi2, ip2m1, ip2p1, ip2p2;
3343     int         l1, l2, l3;
3344     int         pos1, pos2, pos3, pos4;
3345
3346     real        ty[4], ty1[4], ty2[4], ty12[4], tc[16], tx[16];
3347     real        phi1, cos_phi1, sin_phi1, sign1, xphi1;
3348     real        phi2, cos_phi2, sin_phi2, sign2, xphi2;
3349     real        dx, xx, tt, tu, e, df1, df2, vtot;
3350     real        ra21, rb21, rg21, rg1, rgr1, ra2r1, rb2r1, rabr1;
3351     real        ra22, rb22, rg22, rg2, rgr2, ra2r2, rb2r2, rabr2;
3352     real        fg1, hg1, fga1, hgb1, gaa1, gbb1;
3353     real        fg2, hg2, fga2, hgb2, gaa2, gbb2;
3354     real        fac;
3355
3356     rvec        r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1;
3357     rvec        r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2;
3358     rvec        f1_i, f1_j, f1_k, f1_l;
3359     rvec        f2_i, f2_j, f2_k, f2_l;
3360     rvec        a1, b1, a2, b2;
3361     rvec        f1, g1, h1, f2, g2, h2;
3362     rvec        dtf1, dtg1, dth1, dtf2, dtg2, dth2;
3363     ivec        jt1, dt1_ij, dt1_kj, dt1_lj;
3364     ivec        jt2, dt2_ij, dt2_kj, dt2_lj;
3365
3366     const real *cmapd;
3367
3368     int         loop_index[4][4] = {
3369         {0, 4, 8, 12},
3370         {1, 5, 9, 13},
3371         {2, 6, 10, 14},
3372         {3, 7, 11, 15}
3373     };
3374
3375     /* Total CMAP energy */
3376     vtot = 0;
3377
3378     for (n = 0; n < nbonds; )
3379     {
3380         /* Five atoms are involved in the two torsions */
3381         type   = forceatoms[n++];
3382         ai     = forceatoms[n++];
3383         aj     = forceatoms[n++];
3384         ak     = forceatoms[n++];
3385         al     = forceatoms[n++];
3386         am     = forceatoms[n++];
3387
3388         /* Which CMAP type is this */
3389         cmapA = forceparams[type].cmap.cmapA;
3390         cmapd = cmap_grid->cmapdata[cmapA].cmap;
3391
3392         /* First torsion */
3393         a1i   = ai;
3394         a1j   = aj;
3395         a1k   = ak;
3396         a1l   = al;
3397
3398         phi1  = dih_angle(x[a1i], x[a1j], x[a1k], x[a1l], pbc, r1_ij, r1_kj, r1_kl, m1, n1,
3399                           &sign1, &t11, &t21, &t31);  /* 84 */
3400
3401         cos_phi1 = cos(phi1);
3402
3403         a1[0] = r1_ij[1]*r1_kj[2]-r1_ij[2]*r1_kj[1];
3404         a1[1] = r1_ij[2]*r1_kj[0]-r1_ij[0]*r1_kj[2];
3405         a1[2] = r1_ij[0]*r1_kj[1]-r1_ij[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
3406
3407         b1[0] = r1_kl[1]*r1_kj[2]-r1_kl[2]*r1_kj[1];
3408         b1[1] = r1_kl[2]*r1_kj[0]-r1_kl[0]*r1_kj[2];
3409         b1[2] = r1_kl[0]*r1_kj[1]-r1_kl[1]*r1_kj[0]; /* 9 */
3410
3411         pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1k], h1);
3412
3413         ra21  = iprod(a1, a1);       /* 5 */
3414         rb21  = iprod(b1, b1);       /* 5 */
3415         rg21  = iprod(r1_kj, r1_kj); /* 5 */
3416         rg1   = sqrt(rg21);
3417
3418         rgr1  = 1.0/rg1;
3419         ra2r1 = 1.0/ra21;
3420         rb2r1 = 1.0/rb21;
3421         rabr1 = sqrt(ra2r1*rb2r1);
3422
3423         sin_phi1 = rg1 * rabr1 * iprod(a1, h1) * (-1);
3424
3425         if (cos_phi1 < -0.5 || cos_phi1 > 0.5)
3426         {
3427             phi1 = asin(sin_phi1);
3428
3429             if (cos_phi1 < 0)
3430             {
3431                 if (phi1 > 0)
3432                 {
3433                     phi1 = M_PI - phi1;
3434                 }
3435                 else
3436                 {
3437                     phi1 = -M_PI - phi1;
3438                 }
3439             }
3440         }
3441         else
3442         {
3443             phi1 = acos(cos_phi1);
3444
3445             if (sin_phi1 < 0)
3446             {
3447                 phi1 = -phi1;
3448             }
3449         }
3450
3451         xphi1 = phi1 + M_PI; /* 1 */
3452
3453         /* Second torsion */
3454         a2i   = aj;
3455         a2j   = ak;
3456         a2k   = al;
3457         a2l   = am;
3458
3459         phi2  = dih_angle(x[a2i], x[a2j], x[a2k], x[a2l], pbc, r2_ij, r2_kj, r2_kl, m2, n2,
3460                           &sign2, &t12, &t22, &t32); /* 84 */
3461
3462         cos_phi2 = cos(phi2);
3463
3464         a2[0] = r2_ij[1]*r2_kj[2]-r2_ij[2]*r2_kj[1];
3465         a2[1] = r2_ij[2]*r2_kj[0]-r2_ij[0]*r2_kj[2];
3466         a2[2] = r2_ij[0]*r2_kj[1]-r2_ij[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
3467
3468         b2[0] = r2_kl[1]*r2_kj[2]-r2_kl[2]*r2_kj[1];
3469         b2[1] = r2_kl[2]*r2_kj[0]-r2_kl[0]*r2_kj[2];
3470         b2[2] = r2_kl[0]*r2_kj[1]-r2_kl[1]*r2_kj[0]; /* 9 */
3471
3472         pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2k], h2);
3473
3474         ra22  = iprod(a2, a2);         /* 5 */
3475         rb22  = iprod(b2, b2);         /* 5 */
3476         rg22  = iprod(r2_kj, r2_kj);   /* 5 */
3477         rg2   = sqrt(rg22);
3478
3479         rgr2  = 1.0/rg2;
3480         ra2r2 = 1.0/ra22;
3481         rb2r2 = 1.0/rb22;
3482         rabr2 = sqrt(ra2r2*rb2r2);
3483
3484         sin_phi2 = rg2 * rabr2 * iprod(a2, h2) * (-1);
3485
3486         if (cos_phi2 < -0.5 || cos_phi2 > 0.5)
3487         {
3488             phi2 = asin(sin_phi2);
3489
3490             if (cos_phi2 < 0)
3491             {
3492                 if (phi2 > 0)
3493                 {
3494                     phi2 = M_PI - phi2;
3495                 }
3496                 else
3497                 {
3498                     phi2 = -M_PI - phi2;
3499                 }
3500             }
3501         }
3502         else
3503         {
3504             phi2 = acos(cos_phi2);
3505
3506             if (sin_phi2 < 0)
3507             {
3508                 phi2 = -phi2;
3509             }
3510         }
3511
3512         xphi2 = phi2 + M_PI; /* 1 */
3513
3514         /* Range mangling */
3515         if (xphi1 < 0)
3516         {
3517             xphi1 = xphi1 + 2*M_PI;
3518         }
3519         else if (xphi1 >= 2*M_PI)
3520         {
3521             xphi1 = xphi1 - 2*M_PI;
3522         }
3523
3524         if (xphi2 < 0)
3525         {
3526             xphi2 = xphi2 + 2*M_PI;
3527         }
3528         else if (xphi2 >= 2*M_PI)
3529         {
3530             xphi2 = xphi2 - 2*M_PI;
3531         }
3532
3533         /* Number of grid points */
3534         dx = 2*M_PI / cmap_grid->grid_spacing;
3535
3536         /* Where on the grid are we */
3537         iphi1 = static_cast<int>(xphi1/dx);
3538         iphi2 = static_cast<int>(xphi2/dx);
3539
3540         iphi1 = cmap_setup_grid_index(iphi1, cmap_grid->grid_spacing, &ip1m1, &ip1p1, &ip1p2);
3541         iphi2 = cmap_setup_grid_index(iphi2, cmap_grid->grid_spacing, &ip2m1, &ip2p1, &ip2p2);
3542
3543         pos1    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3544         pos2    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+iphi2;
3545         pos3    = ip1p1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3546         pos4    = iphi1*cmap_grid->grid_spacing+ip2p1;
3547
3548         ty[0]   = cmapd[pos1*4];
3549         ty[1]   = cmapd[pos2*4];
3550         ty[2]   = cmapd[pos3*4];
3551         ty[3]   = cmapd[pos4*4];
3552
3553         ty1[0]   = cmapd[pos1*4+1];
3554         ty1[1]   = cmapd[pos2*4+1];
3555         ty1[2]   = cmapd[pos3*4+1];
3556         ty1[3]   = cmapd[pos4*4+1];
3557
3558         ty2[0]   = cmapd[pos1*4+2];
3559         ty2[1]   = cmapd[pos2*4+2];
3560         ty2[2]   = cmapd[pos3*4+2];
3561         ty2[3]   = cmapd[pos4*4+2];
3562
3563         ty12[0]   = cmapd[pos1*4+3];
3564         ty12[1]   = cmapd[pos2*4+3];
3565         ty12[2]   = cmapd[pos3*4+3];
3566         ty12[3]   = cmapd[pos4*4+3];
3567
3568         /* Switch to degrees */
3569         dx    = 360.0 / cmap_grid->grid_spacing;
3570         xphi1 = xphi1 * RAD2DEG;
3571         xphi2 = xphi2 * RAD2DEG;
3572
3573         for (i = 0; i < 4; i++) /* 16 */
3574         {
3575             tx[i]    = ty[i];
3576             tx[i+4]  = ty1[i]*dx;
3577             tx[i+8]  = ty2[i]*dx;
3578             tx[i+12] = ty12[i]*dx*dx;
3579         }
3580
3581         idx = 0;
3582         for (i = 0; i < 4; i++) /* 1056 */
3583         {
3584             for (j = 0; j < 4; j++)
3585             {
3586                 xx = 0;
3587                 for (k = 0; k < 16; k++)
3588                 {
3589                     xx = xx + cmap_coeff_matrix[k*16+idx]*tx[k];
3590                 }
3591
3592                 idx++;
3593                 tc[i*4+j] = xx;
3594             }
3595         }
3596
3597         tt    = (xphi1-iphi1*dx)/dx;
3598         tu    = (xphi2-iphi2*dx)/dx;
3599
3600         e     = 0;
3601         df1   = 0;
3602         df2   = 0;
3603
3604         for (i = 3; i >= 0; i--)
3605         {
3606             l1 = loop_index[i][3];
3607             l2 = loop_index[i][2];
3608             l3 = loop_index[i][1];
3609
3610             e     = tt * e    + ((tc[i*4+3]*tu+tc[i*4+2])*tu + tc[i*4+1])*tu+tc[i*4];
3611             df1   = tu * df1  + (3.0*tc[l1]*tt+2.0*tc[l2])*tt+tc[l3];
3612             df2   = tt * df2  + (3.0*tc[i*4+3]*tu+2.0*tc[i*4+2])*tu+tc[i*4+1];
3613         }
3614
3615         fac     = RAD2DEG/dx;
3616         df1     = df1   * fac;
3617         df2     = df2   * fac;
3618
3619         /* CMAP energy */
3620         vtot += e;
3621
3622         /* Do forces - first torsion */
3623         fg1       = iprod(r1_ij, r1_kj);
3624         hg1       = iprod(r1_kl, r1_kj);
3625         fga1      = fg1*ra2r1*rgr1;
3626         hgb1      = hg1*rb2r1*rgr1;
3627         gaa1      = -ra2r1*rg1;
3628         gbb1      = rb2r1*rg1;
3629
3630         for (i = 0; i < DIM; i++)
3631         {
3632             dtf1[i]   = gaa1 * a1[i];
3633             dtg1[i]   = fga1 * a1[i] - hgb1 * b1[i];
3634             dth1[i]   = gbb1 * b1[i];
3635
3636             f1[i]     = df1  * dtf1[i];
3637             g1[i]     = df1  * dtg1[i];
3638             h1[i]     = df1  * dth1[i];
3639
3640             f1_i[i]   =  f1[i];
3641             f1_j[i]   = -f1[i] - g1[i];
3642             f1_k[i]   =  h1[i] + g1[i];
3643             f1_l[i]   = -h1[i];
3644
3645             f[a1i][i] = f[a1i][i] + f1_i[i];
3646             f[a1j][i] = f[a1j][i] + f1_j[i]; /* - f1[i] - g1[i] */
3647             f[a1k][i] = f[a1k][i] + f1_k[i]; /* h1[i] + g1[i] */
3648             f[a1l][i] = f[a1l][i] + f1_l[i]; /* h1[i] */
3649         }
3650
3651         /* Do forces - second torsion */
3652         fg2       = iprod(r2_ij, r2_kj);
3653         hg2       = iprod(r2_kl, r2_kj);
3654         fga2      = fg2*ra2r2*rgr2;
3655         hgb2      = hg2*rb2r2*rgr2;
3656         gaa2      = -ra2r2*rg2;
3657         gbb2      = rb2r2*rg2;
3658
3659         for (i = 0; i < DIM; i++)
3660         {
3661             dtf2[i]   = gaa2 * a2[i];
3662             dtg2[i]   = fga2 * a2[i] - hgb2 * b2[i];
3663             dth2[i]   = gbb2 * b2[i];
3664
3665             f2[i]     = df2  * dtf2[i];
3666             g2[i]     = df2  * dtg2[i];
3667             h2[i]     = df2  * dth2[i];
3668
3669             f2_i[i]   =  f2[i];
3670             f2_j[i]   = -f2[i] - g2[i];
3671             f2_k[i]   =  h2[i] + g2[i];
3672             f2_l[i]   = -h2[i];
3673
3674             f[a2i][i] = f[a2i][i] + f2_i[i]; /* f2[i] */
3675             f[a2j][i] = f[a2j][i] + f2_j[i]; /* - f2[i] - g2[i] */
3676             f[a2k][i] = f[a2k][i] + f2_k[i]; /* h2[i] + g2[i] */
3677             f[a2l][i] = f[a2l][i] + f2_l[i]; /* - h2[i] */
3678         }
3679
3680         /* Shift forces */
3681         if (g)
3682         {
3683             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a1j), jt1);
3684             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1i),  jt1, dt1_ij);
3685             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1k),  jt1, dt1_kj);
3686             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a1l),  jt1, dt1_lj);
3687             t11 = IVEC2IS(dt1_ij);
3688             t21 = IVEC2IS(dt1_kj);
3689             t31 = IVEC2IS(dt1_lj);
3690
3691             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, a2j), jt2);
3692             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2i),  jt2, dt2_ij);
3693             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2k),  jt2, dt2_kj);
3694             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, a2l),  jt2, dt2_lj);
3695             t12 = IVEC2IS(dt2_ij);
3696             t22 = IVEC2IS(dt2_kj);
3697             t32 = IVEC2IS(dt2_lj);
3698         }
3699         else if (pbc)
3700         {
3701             t31 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a1l], x[a1j], h1);
3702             t32 = pbc_rvec_sub(pbc, x[a2l], x[a2j], h2);
3703         }
3704         else
3705         {
3706             t31 = CENTRAL;
3707             t32 = CENTRAL;
3708         }
3709
3710         rvec_inc(fshift[t11], f1_i);
3711         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f1_j);
3712         rvec_inc(fshift[t21], f1_k);
3713         rvec_inc(fshift[t31], f1_l);
3714
3715         rvec_inc(fshift[t21], f2_i);
3716         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f2_j);
3717         rvec_inc(fshift[t22], f2_k);
3718         rvec_inc(fshift[t32], f2_l);
3719     }
3720     return vtot;
3721 }
3722
3723
3724 //! \cond
3725 /***********************************************************
3726  *
3727  *   G R O M O S  9 6   F U N C T I O N S
3728  *
3729  ***********************************************************/
3730 real g96harmonic(real kA, real kB, real xA, real xB, real x, real lambda,
3731                  real *V, real *F)
3732 {
3733     const real half = 0.5;
3734     real       L1, kk, x0, dx, dx2;
3735     real       v, f, dvdlambda;
3736
3737     L1    = 1.0-lambda;
3738     kk    = L1*kA+lambda*kB;
3739     x0    = L1*xA+lambda*xB;
3740
3741     dx    = x-x0;
3742     dx2   = dx*dx;
3743
3744     f          = -kk*dx;
3745     v          = half*kk*dx2;
3746     dvdlambda  = half*(kB-kA)*dx2 + (xA-xB)*kk*dx;
3747
3748     *F    = f;
3749     *V    = v;
3750
3751     return dvdlambda;
3752
3753     /* That was 21 flops */
3754 }
3755
3756 real g96bonds(int nbonds,
3757               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3758               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3759               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3760               real lambda, real *dvdlambda,
3761               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3762               int gmx_unused *global_atom_index)
3763 {
3764     int  i, m, ki, ai, aj, type;
3765     real dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
3766     rvec dx;
3767     ivec dt;
3768
3769     vtot = 0.0;
3770     for (i = 0; (i < nbonds); )
3771     {
3772         type = forceatoms[i++];
3773         ai   = forceatoms[i++];
3774         aj   = forceatoms[i++];
3775
3776         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
3777         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
3778
3779         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3780                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3781                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3782                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3783                                   dr2, lambda, &vbond, &fbond);
3784
3785         vtot  += 0.5*vbond;                         /* 1*/
3786 #ifdef DEBUG
3787         if (debug)
3788         {
3789             fprintf(debug, "G96-BONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
3790                     sqrt(dr2), vbond, fbond);
3791         }
3792 #endif
3793
3794         if (g)
3795         {
3796             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
3797             ki = IVEC2IS(dt);
3798         }
3799         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
3800         {
3801             fij                 = fbond*dx[m];
3802             f[ai][m]           += fij;
3803             f[aj][m]           -= fij;
3804             fshift[ki][m]      += fij;
3805             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
3806         }
3807     }               /* 44 TOTAL */
3808     return vtot;
3809 }
3810
3811 real g96bond_angle(const rvec xi, const rvec xj, const rvec xk, const t_pbc *pbc,
3812                    rvec r_ij, rvec r_kj,
3813                    int *t1, int *t2)
3814 /* Return value is the angle between the bonds i-j and j-k */
3815 {
3816     real costh;
3817
3818     *t1 = pbc_rvec_sub(pbc, xi, xj, r_ij); /*  3                */
3819     *t2 = pbc_rvec_sub(pbc, xk, xj, r_kj); /*  3                */
3820
3821     costh = cos_angle(r_ij, r_kj);         /* 25                */
3822     /* 41 TOTAL */
3823     return costh;
3824 }
3825
3826 real g96angles(int nbonds,
3827                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3828                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3829                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3830                real lambda, real *dvdlambda,
3831                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3832                int gmx_unused *global_atom_index)
3833 {
3834     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3835     rvec r_ij, r_kj;
3836     real cos_theta, dVdt, va, vtot;
3837     real rij_1, rij_2, rkj_1, rkj_2, rijrkj_1;
3838     rvec f_i, f_j, f_k;
3839     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3840
3841     vtot = 0.0;
3842     for (i = 0; (i < nbonds); )
3843     {
3844         type = forceatoms[i++];
3845         ai   = forceatoms[i++];
3846         aj   = forceatoms[i++];
3847         ak   = forceatoms[i++];
3848
3849         cos_theta  = g96bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc, r_ij, r_kj, &t1, &t2);
3850
3851         *dvdlambda += g96harmonic(forceparams[type].harmonic.krA,
3852                                   forceparams[type].harmonic.krB,
3853                                   forceparams[type].harmonic.rA,
3854                                   forceparams[type].harmonic.rB,
3855                                   cos_theta, lambda, &va, &dVdt);
3856         vtot    += va;
3857
3858         rij_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_ij, r_ij));
3859         rkj_1    = gmx_invsqrt(iprod(r_kj, r_kj));
3860         rij_2    = rij_1*rij_1;
3861         rkj_2    = rkj_1*rkj_1;
3862         rijrkj_1 = rij_1*rkj_1;                 /* 23 */
3863
3864 #ifdef DEBUG
3865         if (debug)
3866         {
3867             fprintf(debug, "G96ANGLES: costheta = %10g  vth = %10g  dV/dct = %10g\n",
3868                     cos_theta, va, dVdt);
3869         }
3870 #endif
3871         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  42  */
3872         {
3873             f_i[m]    = dVdt*(r_kj[m]*rijrkj_1 - r_ij[m]*rij_2*cos_theta);
3874             f_k[m]    = dVdt*(r_ij[m]*rijrkj_1 - r_kj[m]*rkj_2*cos_theta);
3875             f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
3876             f[ai][m] += f_i[m];
3877             f[aj][m] += f_j[m];
3878             f[ak][m] += f_k[m];
3879         }
3880
3881         if (g)
3882         {
3883             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3884
3885             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3886             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3887             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3888             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3889         }
3890         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3891         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3892         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3893         /* 163 TOTAL    */
3894     }
3895     return vtot;
3896 }
3897
3898 real cross_bond_bond(int nbonds,
3899                      const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3900                      const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3901                      const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3902                      real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3903                      const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused  *fcd,
3904                      int gmx_unused *global_atom_index)
3905 {
3906     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3907      * pp. 842-847
3908      */
3909     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3910     rvec r_ij, r_kj;
3911     real vtot, vrr, s1, s2, r1, r2, r1e, r2e, krr;
3912     rvec f_i, f_j, f_k;
3913     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3914
3915     vtot = 0.0;
3916     for (i = 0; (i < nbonds); )
3917     {
3918         type = forceatoms[i++];
3919         ai   = forceatoms[i++];
3920         aj   = forceatoms[i++];
3921         ak   = forceatoms[i++];
3922         r1e  = forceparams[type].cross_bb.r1e;
3923         r2e  = forceparams[type].cross_bb.r2e;
3924         krr  = forceparams[type].cross_bb.krr;
3925
3926         /* Compute distance vectors ... */
3927         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
3928         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
3929
3930         /* ... and their lengths */
3931         r1 = norm(r_ij);
3932         r2 = norm(r_kj);
3933
3934         /* Deviations from ideality */
3935         s1 = r1-r1e;
3936         s2 = r2-r2e;
3937
3938         /* Energy (can be negative!) */
3939         vrr   = krr*s1*s2;
3940         vtot += vrr;
3941
3942         /* Forces */
3943         svmul(-krr*s2/r1, r_ij, f_i);
3944         svmul(-krr*s1/r2, r_kj, f_k);
3945
3946         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
3947         {
3948             f_j[m]    = -f_i[m] - f_k[m];
3949             f[ai][m] += f_i[m];
3950             f[aj][m] += f_j[m];
3951             f[ak][m] += f_k[m];
3952         }
3953
3954         /* Virial stuff */
3955         if (g)
3956         {
3957             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
3958
3959             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
3960             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
3961             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
3962             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
3963         }
3964         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
3965         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
3966         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
3967         /* 163 TOTAL    */
3968     }
3969     return vtot;
3970 }
3971
3972 real cross_bond_angle(int nbonds,
3973                       const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
3974                       const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
3975                       const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
3976                       real gmx_unused lambda, real gmx_unused *dvdlambda,
3977                       const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata gmx_unused *fcd,
3978                       int gmx_unused *global_atom_index)
3979 {
3980     /* Potential from Lawrence and Skimmer, Chem. Phys. Lett. 372 (2003)
3981      * pp. 842-847
3982      */
3983     int  i, ai, aj, ak, type, m, t1, t2;
3984     rvec r_ij, r_kj, r_ik;
3985     real vtot, vrt, s1, s2, s3, r1, r2, r3, r1e, r2e, r3e, krt, k1, k2, k3;
3986     rvec f_i, f_j, f_k;
3987     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
3988
3989     vtot = 0.0;
3990     for (i = 0; (i < nbonds); )
3991     {
3992         type = forceatoms[i++];
3993         ai   = forceatoms[i++];
3994         aj   = forceatoms[i++];
3995         ak   = forceatoms[i++];
3996         r1e  = forceparams[type].cross_ba.r1e;
3997         r2e  = forceparams[type].cross_ba.r2e;
3998         r3e  = forceparams[type].cross_ba.r3e;
3999         krt  = forceparams[type].cross_ba.krt;
4000
4001         /* Compute distance vectors ... */
4002         t1 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], r_ij);
4003         t2 = pbc_rvec_sub(pbc, x[ak], x[aj], r_kj);
4004         pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[ak], r_ik);
4005
4006         /* ... and their lengths */
4007         r1 = norm(r_ij);
4008         r2 = norm(r_kj);
4009         r3 = norm(r_ik);
4010
4011         /* Deviations from ideality */
4012         s1 = r1-r1e;
4013         s2 = r2-r2e;
4014         s3 = r3-r3e;
4015
4016         /* Energy (can be negative!) */
4017         vrt   = krt*s3*(s1+s2);
4018         vtot += vrt;
4019
4020         /* Forces */
4021         k1 = -krt*(s3/r1);
4022         k2 = -krt*(s3/r2);
4023         k3 = -krt*(s1+s2)/r3;
4024         for (m = 0; (m < DIM); m++)
4025         {
4026             f_i[m] = k1*r_ij[m] + k3*r_ik[m];
4027             f_k[m] = k2*r_kj[m] - k3*r_ik[m];
4028             f_j[m] = -f_i[m] - f_k[m];
4029         }
4030
4031         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  12  */
4032         {
4033             f[ai][m] += f_i[m];
4034             f[aj][m] += f_j[m];
4035             f[ak][m] += f_k[m];
4036         }
4037
4038         /* Virial stuff */
4039         if (g)
4040         {
4041             copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
4042
4043             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
4044             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
4045             t1 = IVEC2IS(dt_ij);
4046             t2 = IVEC2IS(dt_kj);
4047         }
4048         rvec_inc(fshift[t1], f_i);
4049         rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
4050         rvec_inc(fshift[t2], f_k);          /* 9 */
4051         /* 163 TOTAL    */
4052     }
4053     return vtot;
4054 }
4055
4056 static real bonded_tab(const char *type, int table_nr,
4057                        const bondedtable_t *table, real kA, real kB, real r,
4058                        real lambda, real *V, real *F)
4059 {
4060     real k, tabscale, *VFtab, rt, eps, eps2, Yt, Ft, Geps, Heps2, Fp, VV, FF;
4061     int  n0, nnn;
4062     real dvdlambda;
4063
4064     k = (1.0 - lambda)*kA + lambda*kB;
4065
4066     tabscale = table->scale;
4067     VFtab    = table->data;
4068
4069     rt    = r*tabscale;
4070     n0    = static_cast<int>(rt);
4071     if (n0 >= table->n)
4072     {
4073         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",
4074                   type, table_nr, r, n0, n0+1, table->n);
4075     }
4076     eps   = rt - n0;
4077     eps2  = eps*eps;
4078     nnn   = 4*n0;
4079     Yt    = VFtab[nnn];
4080     Ft    = VFtab[nnn+1];
4081     Geps  = VFtab[nnn+2]*eps;
4082     Heps2 = VFtab[nnn+3]*eps2;
4083     Fp    = Ft + Geps + Heps2;
4084     VV    = Yt + Fp*eps;
4085     FF    = Fp + Geps + 2.0*Heps2;
4086
4087     *F         = -k*FF*tabscale;
4088     *V         = k*VV;
4089     dvdlambda  = (kB - kA)*VV;
4090
4091     return dvdlambda;
4092
4093     /* That was 22 flops */
4094 }
4095
4096 real tab_bonds(int nbonds,
4097                const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
4098                const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4099                const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4100                real lambda, real *dvdlambda,
4101                const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
4102                int gmx_unused  *global_atom_index)
4103 {
4104     int  i, m, ki, ai, aj, type, table;
4105     real dr, dr2, fbond, vbond, fij, vtot;
4106     rvec dx;
4107     ivec dt;
4108
4109     vtot = 0.0;
4110     for (i = 0; (i < nbonds); )
4111     {
4112         type = forceatoms[i++];
4113         ai   = forceatoms[i++];
4114         aj   = forceatoms[i++];
4115
4116         ki   = pbc_rvec_sub(pbc, x[ai], x[aj], dx); /*   3      */
4117         dr2  = iprod(dx, dx);                       /*   5              */
4118         dr   = dr2*gmx_invsqrt(dr2);                /*  10              */
4119
4120         table = forceparams[type].tab.table;
4121
4122         *dvdlambda += bonded_tab("bond", table,
4123                                  &fcd->bondtab[table],
4124                                  forceparams[type].tab.kA,
4125                                  forceparams[type].tab.kB,
4126                                  dr, lambda, &vbond, &fbond); /*  22 */
4127
4128         if (dr2 == 0.0)
4129         {
4130             continue;
4131         }
4132
4133
4134         vtot  += vbond;            /* 1*/
4135         fbond *= gmx_invsqrt(dr2); /*   6               */
4136 #ifdef DEBUG
4137         if (debug)
4138         {
4139             fprintf(debug, "TABBONDS: dr = %10g  vbond = %10g  fbond = %10g\n",
4140                     dr, vbond, fbond);
4141         }
4142 #endif
4143         if (g)
4144         {
4145             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), SHIFT_IVEC(g, aj), dt);
4146             ki = IVEC2IS(dt);
4147         }
4148         for (m = 0; (m < DIM); m++)     /*  15          */
4149         {
4150             fij                 = fbond*dx[m];
4151             f[ai][m]           += fij;
4152             f[aj][m]           -= fij;
4153             fshift[ki][m]      += fij;
4154             fshift[CENTRAL][m] -= fij;
4155         }
4156     }               /* 62 TOTAL */
4157     return vtot;
4158 }
4159
4160 real tab_angles(int nbonds,
4161                 const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
4162                 const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4163                 const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4164                 real lambda, real *dvdlambda,
4165                 const t_mdatoms gmx_unused  *md, t_fcdata *fcd,
4166                 int gmx_unused *global_atom_index)
4167 {
4168     int  i, ai, aj, ak, t1, t2, type, table;
4169     rvec r_ij, r_kj;
4170     real cos_theta, cos_theta2, theta, dVdt, va, vtot;
4171     ivec jt, dt_ij, dt_kj;
4172
4173     vtot = 0.0;
4174     for (i = 0; (i < nbonds); )
4175     {
4176         type = forceatoms[i++];
4177         ai   = forceatoms[i++];
4178         aj   = forceatoms[i++];
4179         ak   = forceatoms[i++];
4180
4181         theta  = bond_angle(x[ai], x[aj], x[ak], pbc,
4182                             r_ij, r_kj, &cos_theta, &t1, &t2); /*  41           */
4183
4184         table = forceparams[type].tab.table;
4185
4186         *dvdlambda += bonded_tab("angle", table,
4187                                  &fcd->angletab[table],
4188                                  forceparams[type].tab.kA,
4189                                  forceparams[type].tab.kB,
4190                                  theta, lambda, &va, &dVdt); /*  22  */
4191         vtot += va;
4192
4193         cos_theta2 = sqr(cos_theta);            /*   1          */
4194         if (cos_theta2 < 1)
4195         {
4196             int  m;
4197             real st, sth;
4198             real cik, cii, ckk;
4199             real nrkj2, nrij2;
4200             rvec f_i, f_j, f_k;
4201
4202             st  = dVdt*gmx_invsqrt(1 - cos_theta2); /*  12              */
4203             sth = st*cos_theta;                     /*   1              */
4204 #ifdef DEBUG
4205             if (debug)
4206             {
4207                 fprintf(debug, "ANGLES: theta = %10g  vth = %10g  dV/dtheta = %10g\n",
4208                         theta*RAD2DEG, va, dVdt);
4209             }
4210 #endif
4211             nrkj2 = iprod(r_kj, r_kj);  /*   5          */
4212             nrij2 = iprod(r_ij, r_ij);
4213
4214             cik = st*gmx_invsqrt(nrkj2*nrij2); /*  12           */
4215             cii = sth/nrij2;                   /*  10           */
4216             ckk = sth/nrkj2;                   /*  10           */
4217
4218             for (m = 0; (m < DIM); m++)        /*  39           */
4219             {
4220                 f_i[m]    = -(cik*r_kj[m]-cii*r_ij[m]);
4221                 f_k[m]    = -(cik*r_ij[m]-ckk*r_kj[m]);
4222                 f_j[m]    = -f_i[m]-f_k[m];
4223                 f[ai][m] += f_i[m];
4224                 f[aj][m] += f_j[m];
4225                 f[ak][m] += f_k[m];
4226             }
4227             if (g)
4228             {
4229                 copy_ivec(SHIFT_IVEC(g, aj), jt);
4230
4231                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ai), jt, dt_ij);
4232                 ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, ak), jt, dt_kj);
4233                 t1 = IVEC2IS(dt_ij);
4234                 t2 = IVEC2IS(dt_kj);
4235             }
4236             rvec_inc(fshift[t1], f_i);
4237             rvec_inc(fshift[CENTRAL], f_j);
4238             rvec_inc(fshift[t2], f_k);
4239         }                                       /* 169 TOTAL    */
4240     }
4241     return vtot;
4242 }
4243
4244 real tab_dihs(int nbonds,
4245               const t_iatom forceatoms[], const t_iparams forceparams[],
4246               const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4247               const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4248               real lambda, real *dvdlambda,
4249               const t_mdatoms gmx_unused *md, t_fcdata *fcd,
4250               int gmx_unused *global_atom_index)
4251 {
4252     int  i, type, ai, aj, ak, al, table;
4253     int  t1, t2, t3;
4254     rvec r_ij, r_kj, r_kl, m, n;
4255     real phi, sign, ddphi, vpd, vtot;
4256
4257     vtot = 0.0;
4258     for (i = 0; (i < nbonds); )
4259     {
4260         type = forceatoms[i++];
4261         ai   = forceatoms[i++];
4262         aj   = forceatoms[i++];
4263         ak   = forceatoms[i++];
4264         al   = forceatoms[i++];
4265
4266         phi = dih_angle(x[ai], x[aj], x[ak], x[al], pbc, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
4267                         &sign, &t1, &t2, &t3);  /*  84  */
4268
4269         table = forceparams[type].tab.table;
4270
4271         /* Hopefully phi+M_PI never results in values < 0 */
4272         *dvdlambda += bonded_tab("dihedral", table,
4273                                  &fcd->dihtab[table],
4274                                  forceparams[type].tab.kA,
4275                                  forceparams[type].tab.kB,
4276                                  phi+M_PI, lambda, &vpd, &ddphi);
4277
4278         vtot += vpd;
4279         do_dih_fup(ai, aj, ak, al, -ddphi, r_ij, r_kj, r_kl, m, n,
4280                    f, fshift, pbc, g, x, t1, t2, t3); /* 112    */
4281
4282 #ifdef DEBUG
4283         fprintf(debug, "pdih: (%d,%d,%d,%d) phi=%g\n",
4284                 ai, aj, ak, al, phi);
4285 #endif
4286     } /* 227 TOTAL  */
4287
4288     return vtot;
4289 }
4290
4291 //! \endcond
4292
4293 /*! \brief Return true if ftype is an explicit pair-listed LJ or
4294  * COULOMB interaction type: bonded LJ (usually 1-4), or special
4295  * listed non-bonded for FEP. */
4296 static bool
4297 isPairInteraction(int ftype)
4298 {
4299     return ((ftype) >= F_LJ14 && (ftype) <= F_LJC_PAIRS_NB);
4300 }
4301
4302 gmx_bool
4303 ftype_is_bonded_potential(int ftype)
4304 {
4305     return
4306         (interaction_function[ftype].flags & IF_BOND) &&
4307         !(ftype == F_CONNBONDS || ftype == F_POSRES || ftype == F_FBPOSRES) &&
4308         (ftype < F_GB12 || ftype > F_GB14);
4309 }
4310
4311 /*! \brief Zero thread-local force-output buffers */
4312 static void zero_thread_forces(f_thread_t *f_t, int n,
4313                                int nblock, int blocksize)
4314 {
4315     int b, a0, a1, a, i, j;
4316
4317     if (n > f_t->f_nalloc)
4318     {
4319         f_t->f_nalloc = over_alloc_large(n);
4320         srenew(f_t->f, f_t->f_nalloc);
4321     }
4322
4323     if (f_t->red_mask != 0)
4324     {
4325         for (b = 0; b < nblock; b++)
4326         {
4327             if (f_t->red_mask && (1U<<b))
4328             {
4329                 a0 = b*blocksize;
4330                 a1 = std::min((b+1)*blocksize, n);
4331                 for (a = a0; a < a1; a++)
4332                 {
4333                     clear_rvec(f_t->f[a]);
4334                 }
4335             }
4336         }
4337     }
4338     for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
4339     {
4340         clear_rvec(f_t->fshift[i]);
4341     }
4342     for (i = 0; i < F_NRE; i++)
4343     {
4344         f_t->ener[i] = 0;
4345     }
4346     for (i = 0; i < egNR; i++)
4347     {
4348         for (j = 0; j < f_t->grpp.nener; j++)
4349         {
4350             f_t->grpp.ener[i][j] = 0;
4351         }
4352     }
4353     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4354     {
4355         f_t->dvdl[i] = 0;
4356     }
4357 }
4358
4359 /*! \brief The max thread number is arbitrary, we used a fixed number
4360  * to avoid memory management.  Using more than 16 threads is probably
4361  * never useful performance wise. */
4362 #define MAX_BONDED_THREADS 256
4363
4364 /*! \brief Reduce thread-local force buffers */
4365 static void reduce_thread_force_buffer(int n, rvec *f,
4366                                        int nthreads, f_thread_t *f_t,
4367                                        int nblock, int block_size)
4368 {
4369     int b;
4370
4371     if (nthreads > MAX_BONDED_THREADS)
4372     {
4373         gmx_fatal(FARGS, "Can not reduce bonded forces on more than %d threads",
4374                   MAX_BONDED_THREADS);
4375     }
4376
4377     /* This reduction can run on any number of threads,
4378      * independently of nthreads.
4379      */
4380 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
4381     for (b = 0; b < nblock; b++)
4382     {
4383         rvec *fp[MAX_BONDED_THREADS];
4384         int   nfb, ft, fb;
4385         int   a0, a1, a;
4386
4387         /* Determine which threads contribute to this block */
4388         nfb = 0;
4389         for (ft = 1; ft < nthreads; ft++)
4390         {
4391             if (f_t[ft].red_mask & (1U<<b))
4392             {
4393                 fp[nfb++] = f_t[ft].f;
4394             }
4395         }
4396         if (nfb > 0)
4397         {
4398             /* Reduce force buffers for threads that contribute */
4399             a0 =  b   *block_size;
4400             a1 = (b+1)*block_size;
4401             a1 = std::min(a1, n);
4402             for (a = a0; a < a1; a++)
4403             {
4404                 for (fb = 0; fb < nfb; fb++)
4405                 {
4406                     rvec_inc(f[a], fp[fb][a]);
4407                 }
4408             }
4409         }
4410     }
4411 }
4412
4413 /*! \brief Reduce thread-local forces */
4414 static void reduce_thread_forces(int n, rvec *f, rvec *fshift,
4415                                  real *ener, gmx_grppairener_t *grpp, real *dvdl,
4416                                  int nthreads, f_thread_t *f_t,
4417                                  int nblock, int block_size,
4418                                  gmx_bool bCalcEnerVir,
4419                                  gmx_bool bDHDL)
4420 {
4421     if (nblock > 0)
4422     {
4423         /* Reduce the bonded force buffer */
4424         reduce_thread_force_buffer(n, f, nthreads, f_t, nblock, block_size);
4425     }
4426
4427     /* When necessary, reduce energy and virial using one thread only */
4428     if (bCalcEnerVir)
4429     {
4430         int t, i, j;
4431
4432         for (i = 0; i < SHIFTS; i++)
4433         {
4434             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4435             {
4436                 rvec_inc(fshift[i], f_t[t].fshift[i]);
4437             }
4438         }
4439         for (i = 0; i < F_NRE; i++)
4440         {
4441             for (t = 1; t < nthreads; t++)
4442             {
4443                 ener[i] += f_t[t].ener[i];
4444             }
4445         }
4446         for (i = 0; i < egNR; i++)
4447         {
4448             for (j = 0; j < f_t[1].grpp.nener; j++)
4449             {
4450                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4451                 {
4452
4453                     grpp->ener[i][j] += f_t[t].grpp.ener[i][j];
4454                 }
4455             }
4456         }
4457         if (bDHDL)
4458         {
4459             for (i = 0; i < efptNR; i++)
4460             {
4461
4462                 for (t = 1; t < nthreads; t++)
4463                 {
4464                     dvdl[i] += f_t[t].dvdl[i];
4465                 }
4466             }
4467         }
4468     }
4469 }
4470
4471 /*! \brief Calculate one element of the list of bonded interactions
4472     for this thread */
4473 static real calc_one_bond(int thread,
4474                           int ftype, const t_idef *idef,
4475                           const rvec x[], rvec f[], rvec fshift[],
4476                           t_forcerec *fr,
4477                           const t_pbc *pbc, const t_graph *g,
4478                           gmx_grppairener_t *grpp,
4479                           t_nrnb *nrnb,
4480                           real *lambda, real *dvdl,
4481                           const t_mdatoms *md, t_fcdata *fcd,
4482                           gmx_bool bCalcEnerVir,
4483                           int *global_atom_index)
4484 {
4485     int      nat1, nbonds, efptFTYPE;
4486     real     v = 0;
4487     t_iatom *iatoms;
4488     int      nb0, nbn;
4489
4490     if (IS_RESTRAINT_TYPE(ftype))
4491     {
4492         efptFTYPE = efptRESTRAINT;
4493     }
4494     else
4495     {
4496         efptFTYPE = efptBONDED;
4497     }
4498
4499     nat1      = interaction_function[ftype].nratoms + 1;
4500     nbonds    = idef->il[ftype].nr/nat1;
4501     iatoms    = idef->il[ftype].iatoms;
4502
4503     nb0 = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread];
4504     nbn = idef->il_thread_division[ftype*(idef->nthreads+1)+thread+1] - nb0;
4505
4506     if (!isPairInteraction(ftype))
4507     {
4508         if (ftype == F_CMAP)
4509         {
4510             v = cmap_dihs(nbn, iatoms+nb0,
4511                           idef->iparams, &idef->cmap_grid,
4512                           x, f, fshift,
4513                           pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4514                           md, fcd, global_atom_index);
4515         }
4516 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
4517         else if (ftype == F_ANGLES &&
4518                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4519         {
4520             /* No energies, shift forces, dvdl */
4521             angles_noener_simd(nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4522                                idef->iparams,
4523                                x, f,
4524                                pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4525                                global_atom_index);
4526             v = 0;
4527         }
4528 #endif
4529         else if (ftype == F_PDIHS &&
4530                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4531         {
4532             /* No energies, shift forces, dvdl */
4533 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
4534             pdihs_noener_simd
4535 #else
4536             pdihs_noener
4537 #endif
4538                 (nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4539                 idef->iparams,
4540                 x, f,
4541                 pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4542                 global_atom_index);
4543             v = 0;
4544         }
4545 #ifdef GMX_SIMD_HAVE_REAL
4546         else if (ftype == F_RBDIHS &&
4547                  !bCalcEnerVir && fr->efep == efepNO)
4548         {
4549             /* No energies, shift forces, dvdl */
4550             rbdihs_noener_simd(nbn, idef->il[ftype].iatoms+nb0,
4551                                idef->iparams,
4552                                (const rvec*)x, f,
4553                                pbc, g, lambda[efptFTYPE], md, fcd,
4554                                global_atom_index);
4555             v = 0;
4556         }
4557 #endif
4558         else
4559         {
4560             v = interaction_function[ftype].ifunc(nbn, iatoms+nb0,
4561                                                   idef->iparams,
4562                                                   x, f, fshift,
4563                                                   pbc, g, lambda[efptFTYPE], &(dvdl[efptFTYPE]),
4564                                                   md, fcd, global_atom_index);
4565         }
4566     }
4567     else
4568     {
4569         v = do_pairs(ftype, nbn, iatoms+nb0, idef->iparams, x, f, fshift,
4570                      pbc, g, lambda, dvdl, md, fr, grpp, global_atom_index);
4571     }
4572
4573     if (thread == 0)
4574     {
4575         inc_nrnb(nrnb, interaction_function[ftype].nrnb_ind, nbonds);
4576     }
4577
4578     return v;
4579 }
4580
4581 void calc_bonds(const gmx_multisim_t *ms,
4582                 const t_idef *idef,
4583                 const rvec x[], history_t *hist,
4584                 rvec f[], t_forcerec *fr,
4585                 const struct t_pbc *pbc, const struct t_graph *g,
4586                 gmx_enerdata_t *enerd, t_nrnb *nrnb,
4587                 real *lambda,
4588                 const t_mdatoms *md,
4589                 t_fcdata *fcd, int *global_atom_index,
4590                 int force_flags)
4591 {
4592     gmx_bool      bCalcEnerVir;
4593     int           i;
4594     real          dvdl[efptNR]; /* The dummy array is to have a place to store the dhdl at other values
4595                                                         of lambda, which will be thrown away in the end*/
4596     const  t_pbc *pbc_null;
4597     int           thread;
4598
4599     assert(fr->nthreads == idef->nthreads);
4600
4601     bCalcEnerVir = (force_flags & (GMX_FORCE_VIRIAL | GMX_FORCE_ENERGY));
4602
4603     for (i = 0; i < efptNR; i++)
4604     {
4605         dvdl[i] = 0.0;
4606     }
4607     if (fr->bMolPBC)
4608     {
4609         pbc_null = pbc;
4610     }
4611     else
4612     {
4613         pbc_null = NULL;
4614     }
4615
4616 #ifdef DEBUG
4617     if (g && debug)
4618     {
4619         p_graph(debug, "Bondage is fun", g);
4620     }
4621 #endif
4622
4623     /* Do pre force calculation stuff which might require communication */
4624     if (idef->il[F_ORIRES].nr)
4625     {
4626         enerd->term[F_ORIRESDEV] =
4627             calc_orires_dev(ms, idef->il[F_ORIRES].nr,
4628                             idef->il[F_ORIRES].iatoms,
4629                             idef->iparams, md, x,
4630                             pbc_null, fcd, hist);
4631     }
4632     if (idef->il[F_DISRES].nr)
4633     {
4634         calc_disres_R_6(idef->il[F_DISRES].nr,
4635                         idef->il[F_DISRES].iatoms,
4636                         idef->iparams, x, pbc_null,
4637                         fcd, hist);
4638 #ifdef GMX_MPI
4639         if (fcd->disres.nsystems > 1)
4640         {
4641             gmx_sum_sim(2*fcd->disres.nres, fcd->disres.Rt_6, ms);
4642         }
4643 #endif
4644     }
4645
4646 #pragma omp parallel for num_threads(fr->nthreads) schedule(static)
4647     for (thread = 0; thread < fr->nthreads; thread++)
4648     {
4649         int                ftype;
4650         real              *epot, v;
4651         /* thread stuff */
4652         rvec              *ft, *fshift;
4653         real              *dvdlt;
4654         gmx_grppairener_t *grpp;
4655
4656         if (thread == 0)
4657         {
4658             ft     = f;
4659             fshift = fr->fshift;
4660             epot   = enerd->term;
4661             grpp   = &enerd->grpp;
4662             dvdlt  = dvdl;
4663         }
4664         else
4665         {
4666             zero_thread_forces(&fr->f_t[thread], fr->natoms_force,
4667                                fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift);
4668
4669             ft     = fr->f_t[thread].f;
4670             fshift = fr->f_t[thread].fshift;
4671             epot   = fr->f_t[thread].ener;
4672             grpp   = &fr->f_t[thread].grpp;
4673             dvdlt  = fr->f_t[thread].dvdl;
4674         }
4675         /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded forces */
4676         for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4677         {
4678             if (idef->il[ftype].nr > 0 && ftype_is_bonded_potential(ftype))
4679             {
4680                 v = calc_one_bond(thread, ftype, idef, x,
4681                                   ft, fshift, fr, pbc_null, g, grpp,
4682                                   nrnb, lambda, dvdlt,
4683                                   md, fcd, bCalcEnerVir,
4684                                   global_atom_index);
4685                 epot[ftype] += v;
4686             }
4687         }
4688     }
4689     if (fr->nthreads > 1)
4690     {
4691         reduce_thread_forces(fr->natoms_force, f, fr->fshift,
4692                              enerd->term, &enerd->grpp, dvdl,
4693                              fr->nthreads, fr->f_t,
4694                              fr->red_nblock, 1<<fr->red_ashift,
4695                              bCalcEnerVir,
4696                              force_flags & GMX_FORCE_DHDL);
4697     }
4698     if (force_flags & GMX_FORCE_DHDL)
4699     {
4700         for (i = 0; i < efptNR; i++)
4701         {
4702             enerd->dvdl_nonlin[i] += dvdl[i];
4703         }
4704     }
4705
4706     /* Copy the sum of violations for the distance restraints from fcd */
4707     if (fcd)
4708     {
4709         enerd->term[F_DISRESVIOL] = fcd->disres.sumviol;
4710
4711     }
4712 }
4713
4714 void calc_bonds_lambda(const t_idef *idef,
4715                        const rvec x[],
4716                        t_forcerec *fr,
4717                        const struct t_pbc *pbc, const struct t_graph *g,
4718                        gmx_grppairener_t *grpp, real *epot, t_nrnb *nrnb,
4719                        real *lambda,
4720                        const t_mdatoms *md,
4721                        t_fcdata *fcd,
4722                        int *global_atom_index)
4723 {
4724     int           ftype, nr_nonperturbed, nr;
4725     real          v;
4726     real          dvdl_dum[efptNR];
4727     rvec         *f, *fshift;
4728     const  t_pbc *pbc_null;
4729     t_idef        idef_fe;
4730
4731     if (fr->bMolPBC)
4732     {
4733         pbc_null = pbc;
4734     }
4735     else
4736     {
4737         pbc_null = NULL;
4738     }
4739
4740     /* Copy the whole idef, so we can modify the contents locally */
4741     idef_fe          = *idef;
4742     idef_fe.nthreads = 1;
4743     snew(idef_fe.il_thread_division, F_NRE*(idef_fe.nthreads+1));
4744
4745     /* We already have the forces, so we use temp buffers here */
4746     snew(f, fr->natoms_force);
4747     snew(fshift, SHIFTS);
4748
4749     /* Loop over all bonded force types to calculate the bonded energies */
4750     for (ftype = 0; (ftype < F_NRE); ftype++)
4751     {
4752         if (ftype_is_bonded_potential(ftype))
4753         {
4754             /* Set the work range of thread 0 to the perturbed bondeds only */
4755             nr_nonperturbed                       = idef->il[ftype].nr_nonperturbed;
4756             nr                                    = idef->il[ftype].nr;
4757             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+0] = nr_nonperturbed;
4758             idef_fe.il_thread_division[ftype*2+1] = nr;
4759
4760             /* This is only to get the flop count correct */
4761             idef_fe.il[ftype].nr = nr - nr_nonperturbed;
4762
4763             if (nr - nr_nonperturbed > 0)
4764             {
4765                 v = calc_one_bond(0, ftype, &idef_fe,
4766                                   x, f, fshift, fr, pbc_null, g,
4767                                   grpp, nrnb, lambda, dvdl_dum,
4768                                   md, fcd, TRUE,
4769                                   global_atom_index);
4770                 epot[ftype] += v;
4771             }
4772         }
4773     }
4774
4775     sfree(fshift);
4776     sfree(f);
4777
4778     sfree(idef_fe.il_thread_division);
4779 }