Merge branch release-4-6 into release-5-0
authorMark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
Mon, 1 Sep 2014 16:22:23 +0000 (18:22 +0200)
committerMark Abraham <mark.j.abraham@gmail.com>
Mon, 1 Sep 2014 16:22:23 +0000 (18:22 +0200)
Conflicts:
CMakeLists.txt
Left version stuff in release-5-0 alone, because they should be
unaffected by release-4-6 version bumps.

Change-Id: I000cba25affa818b9e4283e85ae8cdf61f7c53a1

1  2 
src/gromacs/gmxpreprocess/calc_verletbuf.c

index a96bd0679e12189f7deb961679b78280de87c349,0000000000000000000000000000000000000000..dd3a36d8ebb5f7fa871e73c3703701079cd582ef
mode 100644,000000..100644
--- /dev/null
@@@ -1,1067 -1,0 +1,1069 @@@
 +/*
 + * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
 + *
 + * Copyright (c) 2012,2013,2014, by the GROMACS development team, led by
 + * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
 + * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
 + * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
 + *
 + * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
 + * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
 + * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
 + * of the License, or (at your option) any later version.
 + *
 + * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
 + * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
 + * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
 + * Lesser General Public License for more details.
 + *
 + * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
 + * License along with GROMACS; if not, see
 + * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
 + * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
 + *
 + * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
 + * consider that scientific software is very special. Version
 + * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
 + * consider code for inclusion in the official distribution, but
 + * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
 + * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
 + * official version at http://www.gromacs.org.
 + *
 + * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
 + * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
 + */
 +#ifdef HAVE_CONFIG_H
 +#include <config.h>
 +#endif
 +
 +#include <assert.h>
 +
 +#include <sys/types.h>
 +#include <math.h>
 +#include "typedefs.h"
 +#include "physics.h"
 +#include "gromacs/utility/smalloc.h"
 +#include "gmx_fatal.h"
 +#include "macros.h"
 +#include "vec.h"
 +#include "coulomb.h"
 +#include "calc_verletbuf.h"
 +#include "../mdlib/nbnxn_consts.h"
 +
 +#ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 +/* The include below sets the SIMD instruction type (precision+width)
 + * for all nbnxn SIMD search and non-bonded kernel code.
 + */
 +#ifdef GMX_NBNXN_HALF_WIDTH_SIMD
 +#define GMX_USE_HALF_WIDTH_SIMD_HERE
 +#endif
 +#include "gromacs/simd/simd.h"
 +#endif
 +
 +
 +/* The code in this file estimates a pairlist buffer length
 + * given a target energy drift per atom per picosecond.
 + * This is done by estimating the drift given a buffer length.
 + * Ideally we would like to have a tight overestimate of the drift,
 + * but that can be difficult to achieve.
 + *
 + * Significant approximations used:
 + *
 + * Uniform particle density. UNDERESTIMATES the drift by rho_global/rho_local.
 + *
 + * Interactions don't affect particle motion. OVERESTIMATES the drift on longer
 + * time scales. This approximation probably introduces the largest errors.
 + *
 + * Only take one constraint per particle into account: OVERESTIMATES the drift.
 + *
 + * For rotating constraints assume the same functional shape for time scales
 + * where the constraints rotate significantly as the exact expression for
 + * short time scales. OVERESTIMATES the drift on long time scales.
 + *
 + * For non-linear virtual sites use the mass of the lightest constructing atom
 + * to determine the displacement. OVER/UNDERESTIMATES the drift, depending on
 + * the geometry and masses of constructing atoms.
 + *
 + * Note that the formulas for normal atoms and linear virtual sites are exact,
 + * apart from the first two approximations.
 + *
 + * Note that apart from the effect of the above approximations, the actual
 + * drift of the total energy of a system can be order of magnitude smaller
 + * due to cancellation of positive and negative drift for different pairs.
 + */
 +
 +
 +/* Struct for unique atom type for calculating the energy drift.
 + * The atom displacement depends on mass and constraints.
 + * The energy jump for given distance depend on LJ type and q.
 + */
 +typedef struct
 +{
 +    real     mass;     /* mass */
 +    int      type;     /* type (used for LJ parameters) */
 +    real     q;        /* charge */
 +    gmx_bool bConstr;  /* constrained, if TRUE, use #DOF=2 iso 3 */
 +    real     con_mass; /* mass of heaviest atom connected by constraints */
 +    real     con_len;  /* constraint length to the heaviest atom */
 +} atom_nonbonded_kinetic_prop_t;
 +
 +/* Struct for unique atom type for calculating the energy drift.
 + * The atom displacement depends on mass and constraints.
 + * The energy jump for given distance depend on LJ type and q.
 + */
 +typedef struct
 +{
 +    atom_nonbonded_kinetic_prop_t prop; /* non-bonded and kinetic atom prop. */
 +    int                           n;    /* #atoms of this type in the system */
 +} verletbuf_atomtype_t;
 +
 +void verletbuf_get_list_setup(gmx_bool                bGPU,
 +                              verletbuf_list_setup_t *list_setup)
 +{
 +    list_setup->cluster_size_i     = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 +
 +    if (bGPU)
 +    {
 +        list_setup->cluster_size_j = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 +    }
 +    else
 +    {
 +#ifndef GMX_NBNXN_SIMD
 +        list_setup->cluster_size_j = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 +#else
 +        list_setup->cluster_size_j = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 +#ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
 +        /* We assume the smallest cluster size to be on the safe side */
 +        list_setup->cluster_size_j /= 2;
 +#endif
 +#endif
 +    }
 +}
 +
 +static gmx_bool
 +atom_nonbonded_kinetic_prop_equal(const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop1,
 +                                  const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop2)
 +{
 +    return (prop1->mass     == prop2->mass &&
 +            prop1->type     == prop2->type &&
 +            prop1->q        == prop2->q &&
 +            prop1->bConstr  == prop2->bConstr &&
 +            prop1->con_mass == prop2->con_mass &&
 +            prop1->con_len  == prop2->con_len);
 +}
 +
 +static void add_at(verletbuf_atomtype_t **att_p, int *natt_p,
 +                   const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop,
 +                   int nmol)
 +{
 +    verletbuf_atomtype_t   *att;
 +    int                     natt, i;
 +
 +    if (prop->mass == 0)
 +    {
 +        /* Ignore massless particles */
 +        return;
 +    }
 +
 +    att  = *att_p;
 +    natt = *natt_p;
 +
 +    i = 0;
 +    while (i < natt && !atom_nonbonded_kinetic_prop_equal(prop, &att[i].prop))
 +    {
 +        i++;
 +    }
 +
 +    if (i < natt)
 +    {
 +        att[i].n += nmol;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        (*natt_p)++;
 +        srenew(*att_p, *natt_p);
 +        (*att_p)[i].prop = *prop;
 +        (*att_p)[i].n    = nmol;
 +    }
 +}
 +
 +static void get_vsite_masses(const gmx_moltype_t  *moltype,
 +                             const gmx_ffparams_t *ffparams,
 +                             real                 *vsite_m,
 +                             int                  *n_nonlin_vsite)
 +{
 +    int            ft, i;
 +    const t_ilist *il;
 +
 +    *n_nonlin_vsite = 0;
 +
 +    /* Check for virtual sites, determine mass from constructing atoms */
 +    for (ft = 0; ft < F_NRE; ft++)
 +    {
 +        if (IS_VSITE(ft))
 +        {
 +            il = &moltype->ilist[ft];
 +
 +            for (i = 0; i < il->nr; i += 1+NRAL(ft))
 +            {
 +                const t_iparams *ip;
 +                real             cam[5], inv_mass, m_aj;
 +                int              a1, j, aj, coeff;
 +
 +                ip = &ffparams->iparams[il->iatoms[i]];
 +
 +                a1 = il->iatoms[i+1];
 +
 +                if (ft != F_VSITEN)
 +                {
 +                    for (j = 1; j < NRAL(ft); j++)
 +                    {
 +                        cam[j] = moltype->atoms.atom[il->iatoms[i+1+j]].m;
 +                        if (cam[j] == 0)
 +                        {
 +                            cam[j] = vsite_m[il->iatoms[i+1+j]];
 +                        }
 +                        if (cam[j] == 0)
 +                        {
 +                            gmx_fatal(FARGS, "In molecule type '%s' %s construction involves atom %d, which is a virtual site of equal or high complexity. This is not supported.",
 +                                      *moltype->name,
 +                                      interaction_function[ft].longname,
 +                                      il->iatoms[i+1+j]+1);
 +                        }
 +                    }
 +                }
 +
 +                switch (ft)
 +                {
 +                    case F_VSITE2:
 +                        /* Exact */
 +                        vsite_m[a1] = (cam[1]*cam[2])/(cam[2]*sqr(1-ip->vsite.a) + cam[1]*sqr(ip->vsite.a));
 +                        break;
 +                    case F_VSITE3:
 +                        /* Exact */
 +                        vsite_m[a1] = (cam[1]*cam[2]*cam[3])/(cam[2]*cam[3]*sqr(1-ip->vsite.a-ip->vsite.b) + cam[1]*cam[3]*sqr(ip->vsite.a) + cam[1]*cam[2]*sqr(ip->vsite.b));
 +                        break;
 +                    case F_VSITEN:
 +                        /* Exact */
 +                        inv_mass = 0;
 +                        for (j = 0; j < 3*ip->vsiten.n; j += 3)
 +                        {
 +                            aj    = il->iatoms[i+j+2];
 +                            coeff = ip[il->iatoms[i+j]].vsiten.a;
 +                            if (moltype->atoms.atom[aj].ptype == eptVSite)
 +                            {
 +                                m_aj = vsite_m[aj];
 +                            }
 +                            else
 +                            {
 +                                m_aj = moltype->atoms.atom[aj].m;
 +                            }
 +                            if (m_aj <= 0)
 +                            {
 +                                gmx_incons("The mass of a vsiten constructing atom is <= 0");
 +                            }
 +                            inv_mass += coeff*coeff/m_aj;
 +                        }
 +                        vsite_m[a1] = 1/inv_mass;
++                        /* Correct for loop increment of i */
++                        i += j - 1 - NRAL(ft);
 +                        break;
 +                    default:
 +                        /* Use the mass of the lightest constructing atom.
 +                         * This is an approximation.
 +                         * If the distance of the virtual site to the
 +                         * constructing atom is less than all distances
 +                         * between constructing atoms, this is a safe
 +                         * over-estimate of the displacement of the vsite.
 +                         * This condition holds for all H mass replacement
 +                         * vsite constructions, except for SP2/3 groups.
 +                         * In SP3 groups one H will have a F_VSITE3
 +                         * construction, so even there the total drift
 +                         * estimate shouldn't be far off.
 +                         */
 +                        assert(j >= 1);
 +                        vsite_m[a1] = cam[1];
 +                        for (j = 2; j < NRAL(ft); j++)
 +                        {
 +                            vsite_m[a1] = min(vsite_m[a1], cam[j]);
 +                        }
 +                        (*n_nonlin_vsite)++;
 +                        break;
 +                }
 +                if (gmx_debug_at)
 +                {
 +                    fprintf(debug, "atom %4d %-20s mass %6.3f\n",
 +                            a1, interaction_function[ft].longname, vsite_m[a1]);
 +                }
 +            }
 +        }
 +    }
 +}
 +
 +static void get_verlet_buffer_atomtypes(const gmx_mtop_t      *mtop,
 +                                        verletbuf_atomtype_t **att_p,
 +                                        int                   *natt_p,
 +                                        int                   *n_nonlin_vsite)
 +{
 +    verletbuf_atomtype_t          *att;
 +    int                            natt;
 +    int                            mb, nmol, ft, i, a1, a2, a3, a;
 +    const t_atoms                 *atoms;
 +    const t_ilist                 *il;
 +    const t_iparams               *ip;
 +    atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop;
 +    real                          *vsite_m;
 +    int                            n_nonlin_vsite_mol;
 +
 +    att  = NULL;
 +    natt = 0;
 +
 +    if (n_nonlin_vsite != NULL)
 +    {
 +        *n_nonlin_vsite = 0;
 +    }
 +
 +    for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 +    {
 +        nmol = mtop->molblock[mb].nmol;
 +
 +        atoms = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].atoms;
 +
 +        /* Check for constraints, as they affect the kinetic energy.
 +         * For virtual sites we need the masses and geometry of
 +         * the constructing atoms to determine their velocity distribution.
 +         */
 +        snew(prop, atoms->nr);
 +        snew(vsite_m, atoms->nr);
 +
 +        for (ft = F_CONSTR; ft <= F_CONSTRNC; ft++)
 +        {
 +            il = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].ilist[ft];
 +
 +            for (i = 0; i < il->nr; i += 1+NRAL(ft))
 +            {
 +                ip         = &mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]];
 +                a1         = il->iatoms[i+1];
 +                a2         = il->iatoms[i+2];
 +                if (atoms->atom[a2].m > prop[a1].con_mass)
 +                {
 +                    prop[a1].con_mass = atoms->atom[a2].m;
 +                    prop[a1].con_len  = ip->constr.dA;
 +                }
 +                if (atoms->atom[a1].m > prop[a2].con_mass)
 +                {
 +                    prop[a2].con_mass = atoms->atom[a1].m;
 +                    prop[a2].con_len  = ip->constr.dA;
 +                }
 +            }
 +        }
 +
 +        il = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type].ilist[F_SETTLE];
 +
 +        for (i = 0; i < il->nr; i += 1+NRAL(F_SETTLE))
 +        {
 +            ip         = &mtop->ffparams.iparams[il->iatoms[i]];
 +            a1         = il->iatoms[i+1];
 +            a2         = il->iatoms[i+2];
 +            a3         = il->iatoms[i+3];
 +            /* Usually the mass of a1 (usually oxygen) is larger than a2/a3.
 +             * If this is not the case, we overestimate the displacement,
 +             * which leads to a larger buffer (ok since this is an exotic case).
 +             */
 +            prop[a1].con_mass = atoms->atom[a2].m;
 +            prop[a1].con_len  = ip->settle.doh;
 +
 +            prop[a2].con_mass = atoms->atom[a1].m;
 +            prop[a2].con_len  = ip->settle.doh;
 +
 +            prop[a3].con_mass = atoms->atom[a1].m;
 +            prop[a3].con_len  = ip->settle.doh;
 +        }
 +
 +        get_vsite_masses(&mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type],
 +                         &mtop->ffparams,
 +                         vsite_m,
 +                         &n_nonlin_vsite_mol);
 +        if (n_nonlin_vsite != NULL)
 +        {
 +            *n_nonlin_vsite += nmol*n_nonlin_vsite_mol;
 +        }
 +
 +        for (a = 0; a < atoms->nr; a++)
 +        {
 +            if (atoms->atom[a].ptype == eptVSite)
 +            {
 +                prop[a].mass = vsite_m[a];
 +            }
 +            else
 +            {
 +                prop[a].mass = atoms->atom[a].m;
 +            }
 +            prop[a].type     = atoms->atom[a].type;
 +            prop[a].q        = atoms->atom[a].q;
 +            /* We consider an atom constrained, #DOF=2, when it is
 +             * connected with constraints to (at least one) atom with
 +             * a mass of more than 0.4x its own mass. This is not a critical
 +             * parameter, since with roughly equal masses the unconstrained
 +             * and constrained displacement will not differ much (and both
 +             * overestimate the displacement).
 +             */
 +            prop[a].bConstr = (prop[a].con_mass > 0.4*prop[a].mass);
 +
 +            add_at(&att, &natt, &prop[a], nmol);
 +        }
 +
 +        sfree(vsite_m);
 +        sfree(prop);
 +    }
 +
 +    if (gmx_debug_at)
 +    {
 +        for (a = 0; a < natt; a++)
 +        {
 +            fprintf(debug, "type %d: m %5.2f t %d q %6.3f con %d con_m %5.3f con_l %5.3f n %d\n",
 +                    a, att[a].prop.mass, att[a].prop.type, att[a].prop.q,
 +                    att[a].prop.bConstr, att[a].prop.con_mass, att[a].prop.con_len,
 +                    att[a].n);
 +        }
 +    }
 +
 +    *att_p  = att;
 +    *natt_p = natt;
 +}
 +
 +/* This function computes two components of the estimate of the variance
 + * in the displacement of one atom in a system of two constrained atoms.
 + * Returns in sigma2_2d the variance due to rotation of the constrained
 + * atom around the atom to which it constrained.
 + * Returns in sigma2_3d the variance due to displacement of the COM
 + * of the whole system of the two constrained atoms.
 + *
 + * Note that we only take a single constraint (the one to the heaviest atom)
 + * into account. If an atom has multiple constraints, this will result in
 + * an overestimate of the displacement, which gives a larger drift and buffer.
 + */
 +static void constrained_atom_sigma2(real                                 kT_fac,
 +                                    const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop,
 +                                    real                                *sigma2_2d,
 +                                    real                                *sigma2_3d)
 +{
 +    real sigma2_rot;
 +    real com_dist;
 +    real sigma2_rel;
 +    real scale;
 +
 +    /* Here we decompose the motion of a constrained atom into two
 +     * components: rotation around the COM and translation of the COM.
 +     */
 +
 +    /* Determine the variance for the displacement of the rotational mode */
 +    sigma2_rot = kT_fac/(prop->mass*(prop->mass + prop->con_mass)/prop->con_mass);
 +
 +    /* The distance from the atom to the COM, i.e. the rotational arm */
 +    com_dist = prop->con_len*prop->con_mass/(prop->mass + prop->con_mass);
 +
 +    /* The variance relative to the arm */
 +    sigma2_rel = sigma2_rot/(com_dist*com_dist);
 +    /* At 6 the scaling formula has slope 0,
 +     * so we keep sigma2_2d constant after that.
 +     */
 +    if (sigma2_rel < 6)
 +    {
 +        /* A constrained atom rotates around the atom it is constrained to.
 +         * This results in a smaller linear displacement than for a free atom.
 +         * For a perfectly circular displacement, this lowers the displacement
 +         * by: 1/arcsin(arc_length)
 +         * and arcsin(x) = 1 + x^2/6 + ...
 +         * For sigma2_rel<<1 the displacement distribution is erfc
 +         * (exact formula is provided below). For larger sigma, it is clear
 +         * that the displacement can't be larger than 2*com_dist.
 +         * It turns out that the distribution becomes nearly uniform.
 +         * For intermediate sigma2_rel, scaling down sigma with the third
 +         * order expansion of arcsin with argument sigma_rel turns out
 +         * to give a very good approximation of the distribution and variance.
 +         * Even for larger values, the variance is only slightly overestimated.
 +         * Note that the most relevant displacements are in the long tail.
 +         * This rotation approximation always overestimates the tail (which
 +         * runs to infinity, whereas it should be <= 2*com_dist).
 +         * Thus we always overestimate the drift and the buffer size.
 +         */
 +        scale      = 1/(1 + sigma2_rel/6);
 +        *sigma2_2d = sigma2_rot*scale*scale;
 +    }
 +    else
 +    {
 +        /* sigma_2d is set to the maximum given by the scaling above.
 +         * For large sigma2 the real displacement distribution is close
 +         * to uniform over -2*con_len to 2*com_dist.
 +         * Our erfc with sigma_2d=sqrt(1.5)*com_dist (which means the sigma
 +         * of the erfc output distribution is con_dist) overestimates
 +         * the variance and additionally has a long tail. This means
 +         * we have a (safe) overestimation of the drift.
 +         */
 +        *sigma2_2d = 1.5*com_dist*com_dist;
 +    }
 +
 +    /* The constrained atom also moves (in 3D) with the COM of both atoms */
 +    *sigma2_3d = kT_fac/(prop->mass + prop->con_mass);
 +}
 +
 +static void get_atom_sigma2(real                                 kT_fac,
 +                            const atom_nonbonded_kinetic_prop_t *prop,
 +                            real                                *sigma2_2d,
 +                            real                                *sigma2_3d)
 +{
 +    if (prop->bConstr)
 +    {
 +        /* Complicated constraint calculation in a separate function */
 +        constrained_atom_sigma2(kT_fac, prop, sigma2_2d, sigma2_3d);
 +    }
 +    else
 +    {
 +        /* Unconstrained atom: trivial */
 +        *sigma2_2d = 0;
 +        *sigma2_3d = kT_fac/prop->mass;
 +    }
 +}
 +
 +static void approx_2dof(real s2, real x, real *shift, real *scale)
 +{
 +    /* A particle with 1 DOF constrained has 2 DOFs instead of 3.
 +     * This code is also used for particles with multiple constraints,
 +     * in which case we overestimate the displacement.
 +     * The 2DOF distribution is sqrt(pi/2)*erfc(r/(sqrt(2)*s))/(2*s).
 +     * We approximate this with scale*Gaussian(s,r+shift),
 +     * by matching the distribution value and derivative at x.
 +     * This is a tight overestimate for all r>=0 at any s and x.
 +     */
 +    real ex, er;
 +
 +    ex = exp(-x*x/(2*s2));
 +    er = gmx_erfc(x/sqrt(2*s2));
 +
 +    *shift = -x + sqrt(2*s2/M_PI)*ex/er;
 +    *scale = 0.5*M_PI*exp(ex*ex/(M_PI*er*er))*er;
 +}
 +
 +static real ener_drift(const verletbuf_atomtype_t *att, int natt,
 +                       const gmx_ffparams_t *ffp,
 +                       real kT_fac,
 +                       real md1_ljd, real d2_ljd, real md3_ljd,
 +                       real md1_ljr, real d2_ljr, real md3_ljr,
 +                       real md1_el,  real d2_el,
 +                       real r_buffer,
 +                       real rlist, real boxvol)
 +{
 +    double drift_tot, pot1, pot2, pot3, pot;
 +    int    i, j;
 +    real   s2i_2d, s2i_3d, s2j_2d, s2j_3d, s2, s;
 +    int    ti, tj;
 +    real   md1, d2, md3;
 +    real   sc_fac, rsh, rsh2;
 +    double c_exp, c_erfc;
 +
 +    drift_tot = 0;
 +
 +    /* Loop over the different atom type pairs */
 +    for (i = 0; i < natt; i++)
 +    {
 +        get_atom_sigma2(kT_fac, &att[i].prop, &s2i_2d, &s2i_3d);
 +        ti = att[i].prop.type;
 +
 +        for (j = i; j < natt; j++)
 +        {
 +            get_atom_sigma2(kT_fac, &att[j].prop, &s2j_2d, &s2j_3d);
 +            tj = att[j].prop.type;
 +
 +            /* Add up the up to four independent variances */
 +            s2 = s2i_2d + s2i_3d + s2j_2d + s2j_3d;
 +
 +            /* Note that attractive and repulsive potentials for individual
 +             * pairs will partially cancel.
 +             */
 +            /* -dV/dr at the cut-off for LJ + Coulomb */
 +            md1 =
 +                md1_ljd*ffp->iparams[ti*ffp->atnr+tj].lj.c6 +
 +                md1_ljr*ffp->iparams[ti*ffp->atnr+tj].lj.c12 +
 +                md1_el*att[i].prop.q*att[j].prop.q;
 +
 +            /* d2V/dr2 at the cut-off for LJ + Coulomb */
 +            d2 =
 +                d2_ljd*ffp->iparams[ti*ffp->atnr+tj].lj.c6 +
 +                d2_ljr*ffp->iparams[ti*ffp->atnr+tj].lj.c12 +
 +                d2_el*att[i].prop.q*att[j].prop.q;
 +
 +            /* -d3V/dr3 at the cut-off for LJ, we neglect Coulomb */
 +            md3 =
 +                md3_ljd*ffp->iparams[ti*ffp->atnr+tj].lj.c6 +
 +                md3_ljr*ffp->iparams[ti*ffp->atnr+tj].lj.c12;
 +
 +            rsh    = r_buffer;
 +            sc_fac = 1.0;
 +            /* For constraints: adapt r and scaling for the Gaussian */
 +            if (att[i].prop.bConstr)
 +            {
 +                real sh, sc;
 +
 +                approx_2dof(s2i_2d, r_buffer*s2i_2d/s2, &sh, &sc);
 +                rsh    += sh;
 +                sc_fac *= sc;
 +            }
 +            if (att[j].prop.bConstr)
 +            {
 +                real sh, sc;
 +
 +                approx_2dof(s2j_2d, r_buffer*s2j_2d/s2, &sh, &sc);
 +                rsh    += sh;
 +                sc_fac *= sc;
 +            }
 +
 +            /* Exact contribution of an atom pair with Gaussian displacement
 +             * with sigma s to the energy drift for a potential with
 +             * derivative -md and second derivative dd at the cut-off.
 +             * The only catch is that for potentials that change sign
 +             * near the cut-off there could be an unlucky compensation
 +             * of positive and negative energy drift.
 +             * Such potentials are extremely rare though.
 +             *
 +             * Note that pot has unit energy*length, as the linear
 +             * atom density still needs to be put in.
 +             */
 +            c_exp  = exp(-rsh*rsh/(2*s2))/sqrt(2*M_PI);
 +            c_erfc = 0.5*gmx_erfc(rsh/(sqrt(2*s2)));
 +            s      = sqrt(s2);
 +            rsh2   = rsh*rsh;
 +
 +            pot1 = sc_fac*
 +                md1/2*((rsh2 + s2)*c_erfc - rsh*s*c_exp);
 +            pot2 = sc_fac*
 +                d2/6*(s*(rsh2 + 2*s2)*c_exp - rsh*(rsh2 + 3*s2)*c_erfc);
 +            pot3 =
 +                md3/24*((rsh2*rsh2 + 6*rsh2*s2 + 3*s2*s2)*c_erfc - rsh*s*(rsh2 + 5*s2)*c_exp);
 +            pot = pot1 + pot2 + pot3;
 +
 +            if (gmx_debug_at)
 +            {
 +                fprintf(debug, "n %d %d d s %.3f %.3f %.3f %.3f con %d -d1 %8.1e d2 %8.1e -d3 %8.1e pot1 %8.1e pot2 %8.1e pot3 %8.1e pot %8.1e\n",
 +                        att[i].n, att[j].n,
 +                        sqrt(s2i_2d), sqrt(s2i_3d),
 +                        sqrt(s2j_2d), sqrt(s2j_3d),
 +                        att[i].prop.bConstr+att[j].prop.bConstr,
 +                        md1, d2, md3,
 +                        pot1, pot2, pot3, pot);
 +            }
 +
 +            /* Multiply by the number of atom pairs */
 +            if (j == i)
 +            {
 +                pot *= (double)att[i].n*(att[i].n - 1)/2;
 +            }
 +            else
 +            {
 +                pot *= (double)att[i].n*att[j].n;
 +            }
 +            /* We need the line density to get the energy drift of the system.
 +             * The effective average r^2 is close to (rlist+sigma)^2.
 +             */
 +            pot *= 4*M_PI*sqr(rlist + s)/boxvol;
 +
 +            /* Add the unsigned drift to avoid cancellation of errors */
 +            drift_tot += fabs(pot);
 +        }
 +    }
 +
 +    return drift_tot;
 +}
 +
 +static real surface_frac(int cluster_size, real particle_distance, real rlist)
 +{
 +    real d, area_rel;
 +
 +    if (rlist < 0.5*particle_distance)
 +    {
 +        /* We have non overlapping spheres */
 +        return 1.0;
 +    }
 +
 +    /* Half the inter-particle distance relative to rlist */
 +    d = 0.5*particle_distance/rlist;
 +
 +    /* Determine the area of the surface at distance rlist to the closest
 +     * particle, relative to surface of a sphere of radius rlist.
 +     * The formulas below assume close to cubic cells for the pair search grid,
 +     * which the pair search code tries to achieve.
 +     * Note that in practice particle distances will not be delta distributed,
 +     * but have some spread, often involving shorter distances,
 +     * as e.g. O-H bonds in a water molecule. Thus the estimates below will
 +     * usually be slightly too high and thus conservative.
 +     */
 +    switch (cluster_size)
 +    {
 +        case 1:
 +            /* One particle: trivial */
 +            area_rel = 1.0;
 +            break;
 +        case 2:
 +            /* Two particles: two spheres at fractional distance 2*a */
 +            area_rel = 1.0 + d;
 +            break;
 +        case 4:
 +            /* We assume a perfect, symmetric tetrahedron geometry.
 +             * The surface around a tetrahedron is too complex for a full
 +             * analytical solution, so we use a Taylor expansion.
 +             */
 +            area_rel = (1.0 + 1/M_PI*(6*acos(1/sqrt(3))*d +
 +                                      sqrt(3)*d*d*(1.0 +
 +                                                   5.0/18.0*d*d +
 +                                                   7.0/45.0*d*d*d*d +
 +                                                   83.0/756.0*d*d*d*d*d*d)));
 +            break;
 +        default:
 +            gmx_incons("surface_frac called with unsupported cluster_size");
 +            area_rel = 1.0;
 +    }
 +
 +    return area_rel/cluster_size;
 +}
 +
 +/* Returns the negative of the third derivative of a potential r^-p
 + * with a force-switch function, evaluated at the cut-off rc.
 + */
 +static real md3_force_switch(real p, real rswitch, real rc)
 +{
 +    /* The switched force function is:
 +     * p*r^-(p+1) + a*(r - rswitch)^2 + b*(r - rswitch)^3
 +     */
 +    real a, b;
 +    real md3_pot, md3_sw;
 +
 +    a = -((p + 4)*rc - (p + 1)*rswitch)/(pow(rc, p+2)*pow(rc-rswitch, 2));
 +    b =  ((p + 3)*rc - (p + 1)*rswitch)/(pow(rc, p+2)*pow(rc-rswitch, 3));
 +
 +    md3_pot = (p + 2)*(p + 1)*p*pow(rc, p+3);
 +    md3_sw  = 2*a + 6*b*(rc - rswitch);
 +
 +    return md3_pot + md3_sw;
 +}
 +
 +void calc_verlet_buffer_size(const gmx_mtop_t *mtop, real boxvol,
 +                             const t_inputrec *ir,
 +                             real reference_temperature,
 +                             const verletbuf_list_setup_t *list_setup,
 +                             int *n_nonlin_vsite,
 +                             real *rlist)
 +{
 +    double                resolution;
 +    char                 *env;
 +
 +    real                  particle_distance;
 +    real                  nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff;
 +
 +    verletbuf_atomtype_t *att  = NULL;
 +    int                   natt = -1, i;
 +    double                reppow;
 +    real                  md1_ljd, d2_ljd, md3_ljd;
 +    real                  md1_ljr, d2_ljr, md3_ljr;
 +    real                  md1_el,  d2_el;
 +    real                  elfac;
 +    real                  kT_fac, mass_min;
 +    int                   ib0, ib1, ib;
 +    real                  rb, rl;
 +    real                  drift;
 +
 +    if (reference_temperature < 0)
 +    {
 +        if (EI_MD(ir->eI) && ir->etc == etcNO)
 +        {
 +            /* This case should be handled outside calc_verlet_buffer_size */
 +            gmx_incons("calc_verlet_buffer_size called with an NVE ensemble and reference_temperature < 0");
 +        }
 +
 +        /* We use the maximum temperature with multiple T-coupl groups.
 +         * We could use a per particle temperature, but since particles
 +         * interact, this might underestimate the buffer size.
 +         */
 +        reference_temperature = 0;
 +        for (i = 0; i < ir->opts.ngtc; i++)
 +        {
 +            if (ir->opts.tau_t[i] >= 0)
 +            {
 +                reference_temperature = max(reference_temperature,
 +                                            ir->opts.ref_t[i]);
 +            }
 +        }
 +    }
 +
 +    /* Resolution of the buffer size */
 +    resolution = 0.001;
 +
 +    env = getenv("GMX_VERLET_BUFFER_RES");
 +    if (env != NULL)
 +    {
 +        sscanf(env, "%lf", &resolution);
 +    }
 +
 +    /* In an atom wise pair-list there would be no pairs in the list
 +     * beyond the pair-list cut-off.
 +     * However, we use a pair-list of groups vs groups of atoms.
 +     * For groups of 4 atoms, the parallelism of SSE instructions, only
 +     * 10% of the atoms pairs are not in the list just beyond the cut-off.
 +     * As this percentage increases slowly compared to the decrease of the
 +     * Gaussian displacement distribution over this range, we can simply
 +     * reduce the drift by this fraction.
 +     * For larger groups, e.g. of 8 atoms, this fraction will be lower,
 +     * so then buffer size will be on the conservative (large) side.
 +     *
 +     * Note that the formulas used here do not take into account
 +     * cancellation of errors which could occur by missing both
 +     * attractive and repulsive interactions.
 +     *
 +     * The only major assumption is homogeneous particle distribution.
 +     * For an inhomogeneous system, such as a liquid-vapor system,
 +     * the buffer will be underestimated. The actual energy drift
 +     * will be higher by the factor: local/homogeneous particle density.
 +     *
 +     * The results of this estimate have been checked againt simulations.
 +     * In most cases the real drift differs by less than a factor 2.
 +     */
 +
 +    /* Worst case assumption: HCP packing of particles gives largest distance */
 +    particle_distance = pow(boxvol*sqrt(2)/mtop->natoms, 1.0/3.0);
 +
 +    get_verlet_buffer_atomtypes(mtop, &att, &natt, n_nonlin_vsite);
 +    assert(att != NULL && natt >= 0);
 +
 +    if (debug)
 +    {
 +        fprintf(debug, "particle distance assuming HCP packing: %f nm\n",
 +                particle_distance);
 +        fprintf(debug, "energy drift atom types: %d\n", natt);
 +    }
 +
 +    reppow   = mtop->ffparams.reppow;
 +    md1_ljd  = 0;
 +    d2_ljd   = 0;
 +    md3_ljd  = 0;
 +    md1_ljr  = 0;
 +    d2_ljr   = 0;
 +    md3_ljr  = 0;
 +    if (ir->vdwtype == evdwCUT)
 +    {
 +        real sw_range, md3_pswf;
 +
 +        switch (ir->vdw_modifier)
 +        {
 +            case eintmodNONE:
 +            case eintmodPOTSHIFT:
 +                /* -dV/dr of -r^-6 and r^-reppow */
 +                md1_ljd =     -6*pow(ir->rvdw, -7.0);
 +                md1_ljr = reppow*pow(ir->rvdw, -(reppow+1));
 +                /* The contribution of the higher derivatives is negligible */
 +                break;
 +            case eintmodFORCESWITCH:
 +                /* At the cut-off: V=V'=V''=0, so we use only V''' */
 +                md3_ljd  = -md3_force_switch(6.0,    ir->rvdw_switch, ir->rvdw);
 +                md3_ljr  =  md3_force_switch(reppow, ir->rvdw_switch, ir->rvdw);
 +                break;
 +            case eintmodPOTSWITCH:
 +                /* At the cut-off: V=V'=V''=0.
 +                 * V''' is given by the original potential times
 +                 * the third derivative of the switch function.
 +                 */
 +                sw_range  = ir->rvdw - ir->rvdw_switch;
 +                md3_pswf  = 60.0*pow(sw_range, -3.0);
 +
 +                md3_ljd   = -pow(ir->rvdw, -6.0   )*md3_pswf;
 +                md3_ljr   =  pow(ir->rvdw, -reppow)*md3_pswf;
 +                break;
 +            default:
 +                gmx_incons("Unimplemented VdW modifier");
 +        }
 +    }
 +    else if (EVDW_PME(ir->vdwtype))
 +    {
 +        real b, r, br, br2, br4, br6;
 +        b        = calc_ewaldcoeff_lj(ir->rvdw, ir->ewald_rtol_lj);
 +        r        = ir->rvdw;
 +        br       = b*r;
 +        br2      = br*br;
 +        br4      = br2*br2;
 +        br6      = br4*br2;
 +        /* -dV/dr of g(br)*r^-6 [where g(x) = exp(-x^2)(1+x^2+x^4/2), see LJ-PME equations in manual] and r^-reppow */
 +        md1_ljd  = -exp(-br2)*(br6 + 3.0*br4 + 6.0*br2 + 6.0)*pow(r, -7.0);
 +        md1_ljr  = reppow*pow(r, -(reppow+1));
 +        /* The contribution of the higher derivatives is negligible */
 +    }
 +    else
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Energy drift calculation is only implemented for plain cut-off Lennard-Jones interactions");
 +    }
 +
 +    elfac = ONE_4PI_EPS0/ir->epsilon_r;
 +
 +    /* Determine md=-dV/dr and dd=d^2V/dr^2 */
 +    md1_el = 0;
 +    d2_el  = 0;
 +    if (ir->coulombtype == eelCUT || EEL_RF(ir->coulombtype))
 +    {
 +        real eps_rf, k_rf;
 +
 +        if (ir->coulombtype == eelCUT)
 +        {
 +            eps_rf = 1;
 +            k_rf   = 0;
 +        }
 +        else
 +        {
 +            eps_rf = ir->epsilon_rf/ir->epsilon_r;
 +            if (eps_rf != 0)
 +            {
 +                k_rf = pow(ir->rcoulomb, -3.0)*(eps_rf - ir->epsilon_r)/(2*eps_rf + ir->epsilon_r);
 +            }
 +            else
 +            {
 +                /* epsilon_rf = infinity */
 +                k_rf = 0.5*pow(ir->rcoulomb, -3.0);
 +            }
 +        }
 +
 +        if (eps_rf > 0)
 +        {
 +            md1_el = elfac*(pow(ir->rcoulomb, -2.0) - 2*k_rf*ir->rcoulomb);
 +        }
 +        d2_el      = elfac*(2*pow(ir->rcoulomb, -3.0) + 2*k_rf);
 +    }
 +    else if (EEL_PME(ir->coulombtype) || ir->coulombtype == eelEWALD)
 +    {
 +        real b, rc, br;
 +
 +        b      = calc_ewaldcoeff_q(ir->rcoulomb, ir->ewald_rtol);
 +        rc     = ir->rcoulomb;
 +        br     = b*rc;
 +        md1_el = elfac*(b*exp(-br*br)*M_2_SQRTPI/rc + gmx_erfc(br)/(rc*rc));
 +        d2_el  = elfac/(rc*rc)*(2*b*(1 + br*br)*exp(-br*br)*M_2_SQRTPI + 2*gmx_erfc(br)/rc);
 +    }
 +    else
 +    {
 +        gmx_fatal(FARGS, "Energy drift calculation is only implemented for Reaction-Field and Ewald electrostatics");
 +    }
 +
 +    /* Determine the variance of the atomic displacement
 +     * over nstlist-1 steps: kT_fac
 +     * For inertial dynamics (not Brownian dynamics) the mass factor
 +     * is not included in kT_fac, it is added later.
 +     */
 +    if (ir->eI == eiBD)
 +    {
 +        /* Get the displacement distribution from the random component only.
 +         * With accurate integration the systematic (force) displacement
 +         * should be negligible (unless nstlist is extremely large, which
 +         * you wouldn't do anyhow).
 +         */
 +        kT_fac = 2*BOLTZ*reference_temperature*(ir->nstlist-1)*ir->delta_t;
 +        if (ir->bd_fric > 0)
 +        {
 +            /* This is directly sigma^2 of the displacement */
 +            kT_fac /= ir->bd_fric;
 +
 +            /* Set the masses to 1 as kT_fac is the full sigma^2,
 +             * but we divide by m in ener_drift().
 +             */
 +            for (i = 0; i < natt; i++)
 +            {
 +                att[i].prop.mass = 1;
 +            }
 +        }
 +        else
 +        {
 +            real tau_t;
 +
 +            /* Per group tau_t is not implemented yet, use the maximum */
 +            tau_t = ir->opts.tau_t[0];
 +            for (i = 1; i < ir->opts.ngtc; i++)
 +            {
 +                tau_t = max(tau_t, ir->opts.tau_t[i]);
 +            }
 +
 +            kT_fac *= tau_t;
 +            /* This kT_fac needs to be divided by the mass to get sigma^2 */
 +        }
 +    }
 +    else
 +    {
 +        kT_fac = BOLTZ*reference_temperature*sqr((ir->nstlist-1)*ir->delta_t);
 +    }
 +
 +    mass_min = att[0].prop.mass;
 +    for (i = 1; i < natt; i++)
 +    {
 +        mass_min = min(mass_min, att[i].prop.mass);
 +    }
 +
 +    if (debug)
 +    {
 +        fprintf(debug, "md1_ljd %9.2e d2_ljd %9.2e md3_ljd %9.2e\n", md1_ljd, d2_ljd, md3_ljd);
 +        fprintf(debug, "md1_ljr %9.2e d2_ljr %9.2e md3_ljr %9.2e\n", md1_ljr, d2_ljr, md3_ljr);
 +        fprintf(debug, "md1_el  %9.2e d2_el  %9.2e\n", md1_el, d2_el);
 +        fprintf(debug, "sqrt(kT_fac) %f\n", sqrt(kT_fac));
 +        fprintf(debug, "mass_min %f\n", mass_min);
 +    }
 +
 +    /* Search using bisection */
 +    ib0 = -1;
 +    /* The drift will be neglible at 5 times the max sigma */
 +    ib1 = (int)(5*2*sqrt(kT_fac/mass_min)/resolution) + 1;
 +    while (ib1 - ib0 > 1)
 +    {
 +        ib = (ib0 + ib1)/2;
 +        rb = ib*resolution;
 +        rl = max(ir->rvdw, ir->rcoulomb) + rb;
 +
 +        /* Calculate the average energy drift at the last step
 +         * of the nstlist steps at which the pair-list is used.
 +         */
 +        drift = ener_drift(att, natt, &mtop->ffparams,
 +                           kT_fac,
 +                           md1_ljd, d2_ljd, md3_ljd,
 +                           md1_ljr, d2_ljr, md3_ljr,
 +                           md1_el,  d2_el,
 +                           rb,
 +                           rl, boxvol);
 +
 +        /* Correct for the fact that we are using a Ni x Nj particle pair list
 +         * and not a 1 x 1 particle pair list. This reduces the drift.
 +         */
 +        /* We don't have a formula for 8 (yet), use 4 which is conservative */
 +        nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff =
 +            surface_frac(min(list_setup->cluster_size_i, 4),
 +                         particle_distance, rl)*
 +            surface_frac(min(list_setup->cluster_size_j, 4),
 +                         particle_distance, rl);
 +        drift *= nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff;
 +
 +        /* Convert the drift to drift per unit time per atom */
 +        drift /= ir->nstlist*ir->delta_t*mtop->natoms;
 +
 +        if (debug)
 +        {
 +            fprintf(debug, "ib %3d %3d %3d rb %.3f %dx%d fac %.3f drift %f\n",
 +                    ib0, ib, ib1, rb,
 +                    list_setup->cluster_size_i, list_setup->cluster_size_j,
 +                    nb_clust_frac_pairs_not_in_list_at_cutoff,
 +                    drift);
 +        }
 +
 +        if (fabs(drift) > ir->verletbuf_tol)
 +        {
 +            ib0 = ib;
 +        }
 +        else
 +        {
 +            ib1 = ib;
 +        }
 +    }
 +
 +    sfree(att);
 +
 +    *rlist = max(ir->rvdw, ir->rcoulomb) + ib1*resolution;
 +}