crates/core_simd/examples/nbody.rs

   1 /// Benchmarks game nbody code
   2 /// Taken from the  `packed_simd` crate
   3 /// Run this benchmark with `cargo test --example body`
   4 use core_simd::*;
   5
   6 use std::f64::consts::PI;
   7 const SOLAR_MASS: f64 = 4.0 * PI * PI;
   8 const DAYS_PER_YEAR: f64 = 365.24;
   9
  10 #[derive(Debug, Clone, Copy)]
  11 pub struct Body {
  12     pub x: f64x4,
  13     pub v: f64x4,
  14     pub mass: f64,
  15 }
  16
  17 // translation up to here
  18 const N_BODIES: usize = 5;
  19 const BODIES: [Body; N_BODIES] = [
  20     // sun:
  21     Body {
  22         x: f64x4::from_array([0., 0., 0., 0.]),
  23         v: f64x4::from_array([0., 0., 0., 0.]),
  24         mass: SOLAR_MASS,
  25     },
  26     // jupiter:
  27     Body {
  28         x: f64x4::from_array([
  29             4.84143144246472090e+00,
  30             -1.16032004402742839e+00,
  31             -1.03622044471123109e-01,
  32             0.,
  33         ]),
  34         v: f64x4::from_array([
  35             1.66007664274403694e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  36             7.69901118419740425e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  37             -6.90460016972063023e-05 * DAYS_PER_YEAR,
  38             0.,
  39         ]),
  40         mass: 9.54791938424326609e-04 * SOLAR_MASS,
  41     },
  42     // saturn:
  43     Body {
  44         x: f64x4::from_array([
  45             8.34336671824457987e+00,
  46             4.12479856412430479e+00,
  47             -4.03523417114321381e-01,
  48             0.,
  49         ]),
  50         v: f64x4::from_array([
  51             -2.76742510726862411e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  52             4.99852801234917238e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  53             2.30417297573763929e-05 * DAYS_PER_YEAR,
  54             0.,
  55         ]),
  56         mass: 2.85885980666130812e-04 * SOLAR_MASS,
  57     },
  58     // uranus:
  59     Body {
  60         x: f64x4::from_array([
  61             1.28943695621391310e+01,
  62             -1.51111514016986312e+01,
  63             -2.23307578892655734e-01,
  64             0.,
  65         ]),
  66         v: f64x4::from_array([
  67             2.96460137564761618e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  68             2.37847173959480950e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  69             -2.96589568540237556e-05 * DAYS_PER_YEAR,
  70             0.,
  71         ]),
  72         mass: 4.36624404335156298e-05 * SOLAR_MASS,
  73     },
  74     // neptune:
  75     Body {
  76         x: f64x4::from_array([
  77             1.53796971148509165e+01,
  78             -2.59193146099879641e+01,
  79             1.79258772950371181e-01,
  80             0.,
  81         ]),
  82         v: f64x4::from_array([
  83             2.68067772490389322e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  84             1.62824170038242295e-03 * DAYS_PER_YEAR,
  85             -9.51592254519715870e-05 * DAYS_PER_YEAR,
  86             0.,
  87         ]),
  88         mass: 5.15138902046611451e-05 * SOLAR_MASS,
  89     },
  90 ];
  91
  92 pub fn offset_momentum(bodies: &mut [Body; N_BODIES]) {
  93     let (sun, rest) = bodies.split_at_mut(1);
  94     let sun = &mut sun[0];
  95     for body in rest {
  96         let m_ratio = body.mass / SOLAR_MASS;
  97         sun.v -= body.v * m_ratio;
  98     }
  99 }
 100
 101 pub fn energy(bodies: &[Body; N_BODIES]) -> f64 {
 102     let mut e = 0.;
 103     for i in 0..N_BODIES {
 104         let bi = &bodies[i];
 105         e += bi.mass * (bi.v * bi.v).horizontal_sum() * 0.5;
 106         for bj in bodies.iter().take(N_BODIES).skip(i + 1) {
 107             let dx = bi.x - bj.x;
 108             e -= bi.mass * bj.mass / (dx * dx).horizontal_sum().sqrt()
 109         }
 110     }
 111     e
 112 }
 113
 114 pub fn advance(bodies: &mut [Body; N_BODIES], dt: f64) {
 115     const N: usize = N_BODIES * (N_BODIES - 1) / 2;
 116
 117     // compute distance between bodies:
 118     let mut r = [f64x4::splat(0.); N];
 119     {
 120         let mut i = 0;
 121         for j in 0..N_BODIES {
 122             for k in j + 1..N_BODIES {
 123                 r[i] = bodies[j].x - bodies[k].x;
 124                 i += 1;
 125             }
 126         }
 127     }
 128
 129     let mut mag = [0.0; N];
 130     let mut i = 0;
 131     while i < N {
 132         let d2s = f64x2::from_array([
 133             (r[i] * r[i]).horizontal_sum(),
 134             (r[i + 1] * r[i + 1]).horizontal_sum(),
 135         ]);
 136         let dmags = f64x2::splat(dt) / (d2s * d2s.sqrt());
 137         // dmags.write_to_slice_unaligned(&mut mag[i..]);
 138         mag[i] = dmags[0];
 139         mag[i + 1] = dmags[1];
 140         i += 2;
 141     }
 142
 143     i = 0;
 144     for j in 0..N_BODIES {
 145         for k in j + 1..N_BODIES {
 146             let f = r[i] * mag[i];
 147             bodies[j].v -= f * bodies[k].mass;
 148             bodies[k].v += f * bodies[j].mass;
 149             i += 1
 150         }
 151     }
 152     for body in bodies {
 153         body.x += dt * body.v
 154     }
 155 }
 156
 157 // #[inline]
 158 // pub unsafe fn write_to_slice_unaligned(slice: &mut SimdF64::<LANES>) {
 159 //     let target_ptr = slice.get_unchecked_mut(0) as *mut f64x2;
 160 //     *(target_ptr as *mut f64x2) = SimdF64;
 161 // }
 162
 163 pub fn run(n: usize) -> (f64, f64) {
 164     let mut bodies = BODIES;
 165     offset_momentum(&mut bodies);
 166     let energy_before = energy(&bodies);
 167     for _ in 0..n {
 168         advance(&mut bodies, 0.01);
 169     }
 170     let energy_after = energy(&bodies);
 171
 172     (energy_before, energy_after)
 173 }
 174
 175 fn approx_eq_f32(a: f32, b: f32) -> bool {
 176     (a - b).abs() < 0.00000001
 177 }
 178
 179 #[cfg(test)]
 180 mod tests {
 181     #[test]
 182     fn test() {
 183         use super::*;
 184         const OUTPUT: [f64; 2] = [-0.169075164, -0.169087605];
 185         let (energy_before, energy_after) = super::run(1000);
 186         assert!(approx_eq_f32(energy_before as f32, OUTPUT[0] as f32));
 187         assert!(approx_eq_f32(energy_after as f32, OUTPUT[1] as f32));
 188         // }
 189     }
 190 }
 191
 192 fn main () {
 193     // empty main to pass CI
 194 }