Fixed mdrun fp exception with -debug
[alexxy/gromacs.git] / src / gromacs / mdlib / nbnxn_search.c
1 /*
2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
3  *
4  * Copyright (c) 2012,2013,2014,2015, by the GROMACS development team, led by
5  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
6  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
7  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
8  *
9  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
10  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
11  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
12  * of the License, or (at your option) any later version.
13  *
14  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
15  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
16  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
17  * Lesser General Public License for more details.
18  *
19  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
20  * License along with GROMACS; if not, see
21  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
22  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
23  *
24  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
25  * consider that scientific software is very special. Version
26  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
27  * consider code for inclusion in the official distribution, but
28  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
29  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
30  * official version at http://www.gromacs.org.
31  *
32  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
33  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
34  */
35
36 #include "gmxpre.h"
37
38 #include "nbnxn_search.h"
39
40 #include <assert.h>
41 #include <math.h>
42 #include <string.h>
43
44 #include "gromacs/legacyheaders/gmx_omp_nthreads.h"
45 #include "gromacs/legacyheaders/macros.h"
46 #include "gromacs/legacyheaders/nrnb.h"
47 #include "gromacs/legacyheaders/ns.h"
48 #include "gromacs/legacyheaders/types/commrec.h"
49 #include "gromacs/math/utilities.h"
50 #include "gromacs/math/vec.h"
51 #include "gromacs/mdlib/nb_verlet.h"
52 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_atomdata.h"
53 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_consts.h"
54 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
55 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
56 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
57
58 /* nbnxn_internal.h included gromacs/simd/macros.h */
59 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_internal.h"
60 #ifdef GMX_SIMD
61 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
62 #endif
63
64 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
65 /* Always use 4-wide SIMD for bounding box calculations */
66
67 #    ifndef GMX_DOUBLE
68 /* Single precision BBs + coordinates, we can also load coordinates with SIMD */
69 #        define NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
70 #    endif
71
72 #    if defined NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB && (GPU_NSUBCELL == 4 || GPU_NSUBCELL == 8)
73 /* Store bounding boxes with x, y and z coordinates in packs of 4 */
74 #        define NBNXN_PBB_SIMD4
75 #    endif
76
77 /* The packed bounding box coordinate stride is always set to 4.
78  * With AVX we could use 8, but that turns out not to be faster.
79  */
80 #    define STRIDE_PBB        4
81 #    define STRIDE_PBB_2LOG   2
82
83 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
84
85 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
86
87 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
88
89 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
90 /* i-cluster to j-cluster conversion */
91 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
92 /* cluster index to coordinate array index conversion */
93 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
94 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
95
96 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
97 /* i-cluster to j-cluster conversion */
98 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
99 /* cluster index to coordinate array index conversion */
100 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
101 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
102
103 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
104 /* i-cluster to j-cluster conversion */
105 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
106 /* cluster index to coordinate array index conversion */
107 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
108 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
109
110 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
111 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
112 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
113 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
114 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
115 #else
116 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
117 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
118 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
119 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
120 #else
121 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
122 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
123 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
124 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
125 /* Half SIMD with j-cluster size */
126 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J4(ci)
127 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J4(ci)
128 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J4(cj)
129 #else
130 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
131 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J8(ci)
132 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J8(ci)
133 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J8(cj)
134 #else
135 #error "unsupported GMX_SIMD_REAL_WIDTH"
136 #endif
137 #endif
138 #endif
139 #endif
140
141 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
142
143
144 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
145 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
146 #define NBNXN_BBXXXX
147 /* Size of bounding box corners quadruplet */
148 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_PBB)
149 #endif
150
151 /* We shift the i-particles backward for PBC.
152  * This leads to more conditionals than shifting forward.
153  * We do this to get more balanced pair lists.
154  */
155 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
156
157
158 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
159  * and searching data structures.
160  */
161 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
162
163
164 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
165 {
166     int i;
167
168     for (i = 0; i < enbsCCnr; i++)
169     {
170         cc[i].count = 0;
171         cc[i].c     = 0;
172     }
173 }
174
175 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
176 {
177     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
178 }
179
180 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
181 {
182     int n;
183     int t;
184
185     fprintf(fp, "\n");
186     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
187             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
188             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
189             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
190             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
191
192     if (nbs->nthread_max > 1)
193     {
194         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
195         {
196             fprintf(fp, " comb %5.2f",
197                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
198         }
199         fprintf(fp, " s. th");
200         for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
201         {
202             fprintf(fp, " %4.1f",
203                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
204         }
205     }
206     fprintf(fp, "\n");
207 }
208
209 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
210 {
211     grid->cxy_na      = NULL;
212     grid->cxy_ind     = NULL;
213     grid->cxy_nalloc  = 0;
214     grid->bb          = NULL;
215     grid->bbj         = NULL;
216     grid->nc_nalloc   = 0;
217 }
218
219 static int get_2log(int n)
220 {
221     int log2;
222
223     log2 = 0;
224     while ((1<<log2) < n)
225     {
226         log2++;
227     }
228     if ((1<<log2) != n)
229     {
230         gmx_fatal(FARGS, "nbnxn na_c (%d) is not a power of 2", n);
231     }
232
233     return log2;
234 }
235
236 static int nbnxn_kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
237 {
238     switch (nb_kernel_type)
239     {
240         case nbnxnk4x4_PlainC:
241         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
242         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
243             return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
244         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
245         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
246             /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
247              * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
248              * The kernels, of course, might require a particular value.
249              */
250             return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
251         default:
252             gmx_incons("unknown kernel type");
253     }
254
255     return 0;
256 }
257
258 int nbnxn_kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
259 {
260     int nbnxn_simd_width = 0;
261     int cj_size          = 0;
262
263 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
264     nbnxn_simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
265 #endif
266
267     switch (nb_kernel_type)
268     {
269         case nbnxnk4x4_PlainC:
270             cj_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
271             break;
272         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
273             cj_size = nbnxn_simd_width;
274             break;
275         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
276             cj_size = nbnxn_simd_width/2;
277             break;
278         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
279         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
280             cj_size = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
281             break;
282         default:
283             gmx_incons("unknown kernel type");
284     }
285
286     return cj_size;
287 }
288
289 static int ci_to_cj(int na_cj_2log, int ci)
290 {
291     switch (na_cj_2log)
292     {
293         case 2: return ci;     break;
294         case 1: return (ci<<1); break;
295         case 3: return (ci>>1); break;
296     }
297
298     return 0;
299 }
300
301 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
302 {
303     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
304     {
305         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
306     }
307
308     switch (nb_kernel_type)
309     {
310         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
311         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
312             return FALSE;
313
314         case nbnxnk4x4_PlainC:
315         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
316         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
317             return TRUE;
318
319         default:
320             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
321             return FALSE;
322     }
323 }
324
325 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
326 static void nbnxn_init_pairlist_fep(t_nblist *nl)
327 {
328     nl->type        = GMX_NBLIST_INTERACTION_FREE_ENERGY;
329     nl->igeometry   = GMX_NBLIST_GEOMETRY_PARTICLE_PARTICLE;
330     /* The interaction functions are set in the free energy kernel fuction */
331     nl->ivdw        = -1;
332     nl->ivdwmod     = -1;
333     nl->ielec       = -1;
334     nl->ielecmod    = -1;
335
336     nl->maxnri      = 0;
337     nl->maxnrj      = 0;
338     nl->nri         = 0;
339     nl->nrj         = 0;
340     nl->iinr        = NULL;
341     nl->gid         = NULL;
342     nl->shift       = NULL;
343     nl->jindex      = NULL;
344     nl->jjnr        = NULL;
345     nl->excl_fep    = NULL;
346
347 }
348
349 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t    * nbs_ptr,
350                        ivec               *n_dd_cells,
351                        gmx_domdec_zones_t *zones,
352                        gmx_bool            bFEP,
353                        int                 nthread_max)
354 {
355     nbnxn_search_t nbs;
356     int            d, g, t;
357
358     snew(nbs, 1);
359     *nbs_ptr = nbs;
360
361     nbs->bFEP   = bFEP;
362
363     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
364
365     clear_ivec(nbs->dd_dim);
366     nbs->ngrid = 1;
367     if (nbs->DomDec)
368     {
369         nbs->zones = zones;
370
371         for (d = 0; d < DIM; d++)
372         {
373             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
374             {
375                 nbs->dd_dim[d] = 1;
376                 /* Each grid matches a DD zone */
377                 nbs->ngrid *= 2;
378             }
379         }
380     }
381
382     snew(nbs->grid, nbs->ngrid);
383     for (g = 0; g < nbs->ngrid; g++)
384     {
385         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
386     }
387     nbs->cell        = NULL;
388     nbs->cell_nalloc = 0;
389     nbs->a           = NULL;
390     nbs->a_nalloc    = 0;
391
392     nbs->nthread_max = nthread_max;
393
394     /* Initialize the work data structures for each thread */
395     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
396     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
397     {
398         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
399         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
400         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
401         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
402
403         snew(nbs->work[t].nbl_fep, 1);
404         nbnxn_init_pairlist_fep(nbs->work[t].nbl_fep);
405     }
406
407     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
408     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
409     nbs->search_count = 0;
410     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
411     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
412     {
413         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
414     }
415 }
416
417 static real grid_atom_density(int n, rvec corner0, rvec corner1)
418 {
419     rvec size;
420
421     if (n == 0)
422     {
423         /* To avoid zero density we use a minimum of 1 atom */
424         n = 1;
425     }
426
427     rvec_sub(corner1, corner0, size);
428
429     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
430 }
431
432 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
433                             nbnxn_grid_t *grid,
434                             int dd_zone,
435                             int n, rvec corner0, rvec corner1,
436                             real atom_density)
437 {
438     rvec size;
439     int  na_c;
440     real adens, tlen, tlen_x, tlen_y, nc_max;
441     int  t;
442
443     rvec_sub(corner1, corner0, size);
444
445     if (n > grid->na_sc)
446     {
447         assert(atom_density > 0);
448
449         /* target cell length */
450         if (grid->bSimple)
451         {
452             /* To minimize the zero interactions, we should make
453              * the largest of the i/j cell cubic.
454              */
455             na_c = max(grid->na_c, grid->na_cj);
456
457             /* Approximately cubic cells */
458             tlen   = pow(na_c/atom_density, 1.0/3.0);
459             tlen_x = tlen;
460             tlen_y = tlen;
461         }
462         else
463         {
464             /* Approximately cubic sub cells */
465             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density, 1.0/3.0);
466             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
467             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
468         }
469         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
470          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
471          * larger than the variable one (z) than the other way around.
472          */
473         grid->ncx = max(1, (int)(size[XX]/tlen_x));
474         grid->ncy = max(1, (int)(size[YY]/tlen_y));
475     }
476     else
477     {
478         grid->ncx = 1;
479         grid->ncy = 1;
480     }
481
482     grid->sx     = size[XX]/grid->ncx;
483     grid->sy     = size[YY]/grid->ncy;
484     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
485     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
486
487     if (dd_zone > 0)
488     {
489         /* This is a non-home zone, add an extra row of cells
490          * for particles communicated for bonded interactions.
491          * These can be beyond the cut-off. It doesn't matter where
492          * they end up on the grid, but for performance it's better
493          * if they don't end up in cells that can be within cut-off range.
494          */
495         grid->ncx++;
496         grid->ncy++;
497     }
498
499     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
500     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
501     {
502         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
503         srenew(grid->cxy_na, grid->cxy_nalloc);
504         srenew(grid->cxy_ind, grid->cxy_nalloc+1);
505     }
506     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
507     {
508         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
509         {
510             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
511             srenew(nbs->work[t].cxy_na, nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
512         }
513     }
514
515     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
516     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
517     {
518         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
519     }
520     else
521     {
522         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
523     }
524
525     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
526     {
527         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
528         srenew(grid->nsubc, grid->nc_nalloc);
529         srenew(grid->bbcz, grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
530
531         sfree_aligned(grid->bb);
532         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
533          * floating exceptions in SIMD with the unused bb elements.
534          */
535         if (grid->bSimple)
536         {
537             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc, 16);
538         }
539         else
540         {
541 #ifdef NBNXN_BBXXXX
542             int pbb_nalloc;
543
544             pbb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX;
545             snew_aligned(grid->pbb, pbb_nalloc, 16);
546 #else
547             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL, 16);
548 #endif
549         }
550
551         if (grid->bSimple)
552         {
553             if (grid->na_cj == grid->na_c)
554             {
555                 grid->bbj = grid->bb;
556             }
557             else
558             {
559                 sfree_aligned(grid->bbj);
560                 snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj, 16);
561             }
562         }
563
564         srenew(grid->flags, grid->nc_nalloc);
565         if (nbs->bFEP)
566         {
567             srenew(grid->fep, grid->nc_nalloc*grid->na_sc/grid->na_c);
568         }
569     }
570
571     copy_rvec(corner0, grid->c0);
572     copy_rvec(corner1, grid->c1);
573     copy_rvec(size,    grid->size);
574
575     return nc_max;
576 }
577
578 /* We need to sort paricles in grid columns on z-coordinate.
579  * As particle are very often distributed homogeneously, we a sorting
580  * algorithm similar to pigeonhole sort. We multiply the z-coordinate
581  * by a factor, cast to an int and try to store in that hole. If the hole
582  * is full, we move this or another particle. A second pass is needed to make
583  * contiguous elements. SORT_GRID_OVERSIZE is the ratio of holes to particles.
584  * 4 is the optimal value for homogeneous particle distribution and allows
585  * for an O(#particles) sort up till distributions were all particles are
586  * concentrated in 1/4 of the space. No NlogN fallback is implemented,
587  * as it can be expensive to detect imhomogeneous particle distributions.
588  * SGSF is the maximum ratio of holes used, in the worst case all particles
589  * end up in the last hole and we need #particles extra holes at the end.
590  */
591 #define SORT_GRID_OVERSIZE 4
592 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
593
594 /* Sort particle index a on coordinates x along dim.
595  * Backwards tells if we want decreasing iso increasing coordinates.
596  * h0 is the minimum of the coordinate range.
597  * invh is the 1/length of the sorting range.
598  * n_per_h (>=n) is the expected average number of particles per 1/invh
599  * sort is the sorting work array.
600  * sort should have a size of at least n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n,
601  * or easier, allocate at least n*SGSF elements.
602  */
603 static void sort_atoms(int dim, gmx_bool Backwards,
604                        int gmx_unused dd_zone,
605                        int *a, int n, rvec *x,
606                        real h0, real invh, int n_per_h,
607                        int *sort)
608 {
609     int nsort, i, c;
610     int zi, zim, zi_min, zi_max;
611     int cp, tmp;
612
613     if (n <= 1)
614     {
615         /* Nothing to do */
616         return;
617     }
618
619 #ifndef NDEBUG
620     if (n > n_per_h)
621     {
622         gmx_incons("n > n_per_h");
623     }
624 #endif
625
626     /* Transform the inverse range height into the inverse hole height */
627     invh *= n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
628
629     /* Set nsort to the maximum possible number of holes used.
630      * In worst case all n elements end up in the last bin.
631      */
632     nsort = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n;
633
634     /* Determine the index range used, so we can limit it for the second pass */
635     zi_min = INT_MAX;
636     zi_max = -1;
637
638     /* Sort the particles using a simple index sort */
639     for (i = 0; i < n; i++)
640     {
641         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
642          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
643          * times the box height out of the box.
644          */
645         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
646
647 #ifndef NDEBUG
648         /* As we can have rounding effect, we use > iso >= here */
649         if (zi < 0 || (dd_zone == 0 && zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE))
650         {
651             gmx_fatal(FARGS, "(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d*%d\n",
652                       a[i], 'x'+dim, x[a[i]][dim], h0, invh, zi,
653                       n_per_h, SORT_GRID_OVERSIZE);
654         }
655 #endif
656
657         /* In a non-local domain, particles communcated for bonded interactions
658          * can be far beyond the grid size, which is set by the non-bonded
659          * cut-off distance. We sort such particles into the last cell.
660          */
661         if (zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE)
662         {
663             zi = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
664         }
665
666         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
667          * but that might already be in use,
668          * in that case find the first empty cell higher up
669          */
670         if (sort[zi] < 0)
671         {
672             sort[zi] = a[i];
673             zi_min   = min(zi_min, zi);
674             zi_max   = max(zi_max, zi);
675         }
676         else
677         {
678             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
679              * Sort on real z for minimal bounding box size.
680              * There is an extra check for identical z to ensure
681              * well-defined output order, independent of input order
682              * to ensure binary reproducibility after restarts.
683              */
684             while (sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
685                                       (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
686                                        a[i] > sort[zi])))
687             {
688                 zi++;
689             }
690
691             if (sort[zi] >= 0)
692             {
693                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
694                 cp  = sort[zi];
695                 zim = zi + 1;
696                 while (sort[zim] >= 0)
697                 {
698                     tmp       = sort[zim];
699                     sort[zim] = cp;
700                     cp        = tmp;
701                     zim++;
702                 }
703                 sort[zim] = cp;
704                 zi_max    = max(zi_max, zim);
705             }
706             sort[zi] = a[i];
707             zi_max   = max(zi_max, zi);
708         }
709     }
710
711     c = 0;
712     if (!Backwards)
713     {
714         for (zi = 0; zi < nsort; zi++)
715         {
716             if (sort[zi] >= 0)
717             {
718                 a[c++]   = sort[zi];
719                 sort[zi] = -1;
720             }
721         }
722     }
723     else
724     {
725         for (zi = zi_max; zi >= zi_min; zi--)
726         {
727             if (sort[zi] >= 0)
728             {
729                 a[c++]   = sort[zi];
730                 sort[zi] = -1;
731             }
732         }
733     }
734     if (c < n)
735     {
736         gmx_incons("Lost particles while sorting");
737     }
738 }
739
740 #ifdef GMX_DOUBLE
741 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
742 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
743 #else
744 #define R2F_D(x) (x)
745 #define R2F_U(x) (x)
746 #endif
747
748 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
749 static void calc_bounding_box(int na, int stride, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
750 {
751     int  i, j;
752     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
753
754     i  = 0;
755     xl = x[i+XX];
756     xh = x[i+XX];
757     yl = x[i+YY];
758     yh = x[i+YY];
759     zl = x[i+ZZ];
760     zh = x[i+ZZ];
761     i += stride;
762     for (j = 1; j < na; j++)
763     {
764         xl = min(xl, x[i+XX]);
765         xh = max(xh, x[i+XX]);
766         yl = min(yl, x[i+YY]);
767         yh = max(yh, x[i+YY]);
768         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
769         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
770         i += stride;
771     }
772     /* Note: possible double to float conversion here */
773     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
774     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
775     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
776     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
777     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
778     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
779 }
780
781 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
782 static void calc_bounding_box_x_x4(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
783 {
784     int  j;
785     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
786
787     xl = x[XX*PACK_X4];
788     xh = x[XX*PACK_X4];
789     yl = x[YY*PACK_X4];
790     yh = x[YY*PACK_X4];
791     zl = x[ZZ*PACK_X4];
792     zh = x[ZZ*PACK_X4];
793     for (j = 1; j < na; j++)
794     {
795         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X4]);
796         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X4]);
797         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X4]);
798         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X4]);
799         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X4]);
800         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X4]);
801     }
802     /* Note: possible double to float conversion here */
803     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
804     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
805     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
806     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
807     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
808     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
809 }
810
811 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
812 static void calc_bounding_box_x_x8(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
813 {
814     int  j;
815     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
816
817     xl = x[XX*PACK_X8];
818     xh = x[XX*PACK_X8];
819     yl = x[YY*PACK_X8];
820     yh = x[YY*PACK_X8];
821     zl = x[ZZ*PACK_X8];
822     zh = x[ZZ*PACK_X8];
823     for (j = 1; j < na; j++)
824     {
825         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X8]);
826         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X8]);
827         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X8]);
828         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X8]);
829         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X8]);
830         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X8]);
831     }
832     /* Note: possible double to float conversion here */
833     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
834     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
835     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
836     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
837     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
838     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
839 }
840
841 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
842 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na, const real *x,
843                                           nbnxn_bb_t *bb, nbnxn_bb_t *bbj)
844 {
845     calc_bounding_box_x_x4(min(na, 2), x, bbj);
846
847     if (na > 2)
848     {
849         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2, 2), x+(PACK_X4>>1), bbj+1);
850     }
851     else
852     {
853         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
854          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
855          */
856 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
857         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].lower[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]));
858         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].upper[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]));
859 #else
860         bbj[1] = bbj[0];
861 #endif
862     }
863
864 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
865     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0],
866                       gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]),
867                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].lower[0])));
868     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0],
869                       gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]),
870                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].upper[0])));
871 #else
872     {
873         int i;
874
875         for (i = 0; i < NNBSBB_C; i++)
876         {
877             bb->lower[i] = min(bbj[0].lower[i], bbj[1].lower[i]);
878             bb->upper[i] = max(bbj[0].upper[i], bbj[1].upper[i]);
879         }
880     }
881 #endif
882 }
883
884 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
885
886 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
887 static void calc_bounding_box_xxxx(int na, int stride, const real *x, float *bb)
888 {
889     int  i, j;
890     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
891
892     i  = 0;
893     xl = x[i+XX];
894     xh = x[i+XX];
895     yl = x[i+YY];
896     yh = x[i+YY];
897     zl = x[i+ZZ];
898     zh = x[i+ZZ];
899     i += stride;
900     for (j = 1; j < na; j++)
901     {
902         xl = min(xl, x[i+XX]);
903         xh = max(xh, x[i+XX]);
904         yl = min(yl, x[i+YY]);
905         yh = max(yh, x[i+YY]);
906         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
907         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
908         i += stride;
909     }
910     /* Note: possible double to float conversion here */
911     bb[0*STRIDE_PBB] = R2F_D(xl);
912     bb[1*STRIDE_PBB] = R2F_D(yl);
913     bb[2*STRIDE_PBB] = R2F_D(zl);
914     bb[3*STRIDE_PBB] = R2F_U(xh);
915     bb[4*STRIDE_PBB] = R2F_U(yh);
916     bb[5*STRIDE_PBB] = R2F_U(zh);
917 }
918
919 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
920
921 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
922
923 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
924 static void calc_bounding_box_simd4(int na, const float *x, nbnxn_bb_t *bb)
925 {
926     gmx_simd4_float_t bb_0_S, bb_1_S;
927     gmx_simd4_float_t x_S;
928
929     int               i;
930
931     bb_0_S = gmx_simd4_load_f(x);
932     bb_1_S = bb_0_S;
933
934     for (i = 1; i < na; i++)
935     {
936         x_S    = gmx_simd4_load_f(x+i*NNBSBB_C);
937         bb_0_S = gmx_simd4_min_f(bb_0_S, x_S);
938         bb_1_S = gmx_simd4_max_f(bb_1_S, x_S);
939     }
940
941     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0], bb_0_S);
942     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0], bb_1_S);
943 }
944
945 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
946 static void calc_bounding_box_xxxx_simd4(int na, const float *x,
947                                          nbnxn_bb_t *bb_work_aligned,
948                                          real *bb)
949 {
950     calc_bounding_box_simd4(na, x, bb_work_aligned);
951
952     bb[0*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_X];
953     bb[1*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Y];
954     bb[2*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Z];
955     bb[3*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_X];
956     bb[4*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Y];
957     bb[5*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Z];
958 }
959
960 #endif /* NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB */
961
962
963 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
964 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid, const nbnxn_bb_t *bb)
965 {
966     int    i, j, sc2, nc2, c2;
967
968     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
969     {
970         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
971         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
972         /* For odd numbers skip the last bb here */
973         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
974         for (c2 = sc2; c2 < sc2+nc2; c2++)
975         {
976 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
977             gmx_simd4_float_t min_S, max_S;
978
979             min_S = gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].lower[0]),
980                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].lower[0]));
981             max_S = gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].upper[0]),
982                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].upper[0]));
983             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].lower[0], min_S);
984             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].upper[0], max_S);
985 #else
986             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
987             {
988                 grid->bbj[c2].lower[j] = min(bb[c2*2+0].lower[j],
989                                              bb[c2*2+1].lower[j]);
990                 grid->bbj[c2].upper[j] = max(bb[c2*2+0].upper[j],
991                                              bb[c2*2+1].upper[j]);
992             }
993 #endif
994         }
995         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
996         {
997             /* The bb count in this column is odd: duplicate the last bb */
998             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
999             {
1000                 grid->bbj[c2].lower[j] = bb[c2*2].lower[j];
1001                 grid->bbj[c2].upper[j] = bb[c2*2].upper[j];
1002             }
1003         }
1004     }
1005 }
1006
1007
1008 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1009 static void print_bbsizes_simple(FILE                *fp,
1010                                  const nbnxn_grid_t  *grid)
1011 {
1012     int  c, d;
1013     dvec ba;
1014
1015     clear_dvec(ba);
1016     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1017     {
1018         for (d = 0; d < DIM; d++)
1019         {
1020             ba[d] += grid->bb[c].upper[d] - grid->bb[c].lower[d];
1021         }
1022     }
1023     dsvmul(1.0/grid->nc, ba, ba);
1024
1025     fprintf(fp, "ns bb: grid %4.2f %4.2f %4.2f abs %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1026             grid->sx,
1027             grid->sy,
1028             grid->atom_density > 0 ?
1029             grid->na_c/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy) : 0.0,
1030             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1031             ba[XX]/grid->sx,
1032             ba[YY]/grid->sy,
1033             grid->atom_density > 0 ?
1034             ba[ZZ]/(grid->na_c/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy)) : 0.0);
1035 }
1036
1037 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1038 static void print_bbsizes_supersub(FILE                *fp,
1039                                    const nbnxn_grid_t  *grid)
1040 {
1041     int  ns, c, s;
1042     dvec ba;
1043
1044     clear_dvec(ba);
1045     ns = 0;
1046     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1047     {
1048 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1049         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s += STRIDE_PBB)
1050         {
1051             int cs_w, i, d;
1052
1053             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_PBB;
1054             for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
1055             {
1056                 for (d = 0; d < DIM; d++)
1057                 {
1058                     ba[d] +=
1059                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_PBB+i] -
1060                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_PBB+i];
1061                 }
1062             }
1063         }
1064 #else
1065         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s++)
1066         {
1067             int cs, d;
1068
1069             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
1070             for (d = 0; d < DIM; d++)
1071             {
1072                 ba[d] += grid->bb[cs].upper[d] - grid->bb[cs].lower[d];
1073             }
1074         }
1075 #endif
1076         ns += grid->nsubc[c];
1077     }
1078     dsvmul(1.0/ns, ba, ba);
1079
1080     fprintf(fp, "ns bb: grid %4.2f %4.2f %4.2f abs %4.2f %4.2f %4.2f rel %4.2f %4.2f %4.2f\n",
1081             grid->sx/GPU_NSUBCELL_X,
1082             grid->sy/GPU_NSUBCELL_Y,
1083             grid->atom_density > 0 ?
1084             grid->na_sc/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy*GPU_NSUBCELL_Z) : 0.0,
1085             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1086             ba[XX]*GPU_NSUBCELL_X/grid->sx,
1087             ba[YY]*GPU_NSUBCELL_Y/grid->sy,
1088             grid->atom_density > 0 ?
1089             ba[ZZ]/(grid->na_sc/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy*GPU_NSUBCELL_Z)) : 0.0);
1090 }
1091
1092 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1093  * Also sets interaction flags.
1094  */
1095 void sort_on_lj(int na_c,
1096                 int a0, int a1, const int *atinfo,
1097                 int *order,
1098                 int *flags)
1099 {
1100     int      subc, s, a, n1, n2, a_lj_max, i, j;
1101     int      sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1102     int      sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1103     gmx_bool haveQ, bFEP;
1104
1105     *flags = 0;
1106
1107     subc = 0;
1108     for (s = a0; s < a1; s += na_c)
1109     {
1110         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1111         n1       = 0;
1112         n2       = 0;
1113         haveQ    = FALSE;
1114         a_lj_max = -1;
1115         for (a = s; a < min(s+na_c, a1); a++)
1116         {
1117             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1118
1119             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1120             {
1121                 sort1[n1++] = order[a];
1122                 a_lj_max    = a;
1123             }
1124             else
1125             {
1126                 sort2[n2++] = order[a];
1127             }
1128         }
1129
1130         /* If we don't have atoms with LJ, there's nothing to sort */
1131         if (n1 > 0)
1132         {
1133             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1134
1135             if (2*n1 <= na_c)
1136             {
1137                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1138                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1139                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1140                  */
1141                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1142                 {
1143                     for (i = 0; i < n1; i++)
1144                     {
1145                         order[a0+i] = sort1[i];
1146                     }
1147                     for (j = 0; j < n2; j++)
1148                     {
1149                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1150                     }
1151                 }
1152
1153                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1154             }
1155         }
1156         if (haveQ)
1157         {
1158             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1159         }
1160         subc++;
1161     }
1162 }
1163
1164 /* Fill a pair search cell with atoms.
1165  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1166  */
1167 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1168                nbnxn_grid_t *grid,
1169                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1170                int a0, int a1,
1171                const int *atinfo,
1172                rvec *x,
1173                int sx, int sy, int sz,
1174                nbnxn_bb_t gmx_unused *bb_work_aligned)
1175 {
1176     int         na, a;
1177     size_t      offset;
1178     nbnxn_bb_t *bb_ptr;
1179 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1180     float      *pbb_ptr;
1181 #endif
1182
1183     na = a1 - a0;
1184
1185     if (grid->bSimple)
1186     {
1187         sort_on_lj(grid->na_c, a0, a1, atinfo, nbs->a,
1188                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1189     }
1190
1191     if (nbs->bFEP)
1192     {
1193         /* Set the fep flag for perturbed atoms in this (sub-)cell */
1194         int c, at;
1195
1196         /* The grid-local cluster/(sub-)cell index */
1197         c            = (a0 >> grid->na_c_2log) - grid->cell0*(grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL);
1198         grid->fep[c] = 0;
1199         for (at = a0; at < a1; at++)
1200         {
1201             if (nbs->a[at] >= 0 && GET_CGINFO_FEP(atinfo[nbs->a[at]]))
1202             {
1203                 grid->fep[c] |= (1 << (at - a0));
1204             }
1205         }
1206     }
1207
1208     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1209     for (a = a0; a < a1; a++)
1210     {
1211         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1212     }
1213
1214     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0, a1-a0, grid->na_c, x,
1215                            nbat->XFormat, nbat->x, a0,
1216                            sx, sy, sz);
1217
1218     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1219     {
1220         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1221         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1222         bb_ptr = grid->bb + offset;
1223
1224 #if defined GMX_NBNXN_SIMD && GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
1225         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1226         {
1227             calc_bounding_box_x_x4_halves(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr,
1228                                           grid->bbj+offset*2);
1229         }
1230         else
1231 #endif
1232         {
1233             calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr);
1234         }
1235     }
1236     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1237     {
1238         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1239         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1240         bb_ptr = grid->bb + offset;
1241
1242         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(a0), bb_ptr);
1243     }
1244 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1245     else if (!grid->bSimple)
1246     {
1247         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1248          * for SIMD4 calculations: xxxxyyyyzzzz...
1249          */
1250         pbb_ptr =
1251             grid->pbb +
1252             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_PBB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1253             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_PBB-1));
1254
1255 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
1256         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1257         {
1258             calc_bounding_box_xxxx_simd4(na, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1259                                          bb_work_aligned, pbb_ptr);
1260         }
1261         else
1262 #endif
1263         {
1264             calc_bounding_box_xxxx(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1265                                    pbb_ptr);
1266         }
1267         if (gmx_debug_at)
1268         {
1269             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1270                     sx, sy, sz,
1271                     pbb_ptr[0*STRIDE_PBB], pbb_ptr[3*STRIDE_PBB],
1272                     pbb_ptr[1*STRIDE_PBB], pbb_ptr[4*STRIDE_PBB],
1273                     pbb_ptr[2*STRIDE_PBB], pbb_ptr[5*STRIDE_PBB]);
1274         }
1275     }
1276 #endif
1277     else
1278     {
1279         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1280         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log);
1281
1282         calc_bounding_box(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1283                           bb_ptr);
1284
1285         if (gmx_debug_at)
1286         {
1287             int bbo;
1288             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1289             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1290                     sx, sy, sz,
1291                     grid->bb[bbo].lower[BB_X],
1292                     grid->bb[bbo].lower[BB_Y],
1293                     grid->bb[bbo].lower[BB_Z],
1294                     grid->bb[bbo].upper[BB_X],
1295                     grid->bb[bbo].upper[BB_Y],
1296                     grid->bb[bbo].upper[BB_Z]);
1297         }
1298     }
1299 }
1300
1301 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1302 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1303                                 int dd_zone,
1304                                 nbnxn_grid_t *grid,
1305                                 int a0, int a1,
1306                                 const int *atinfo,
1307                                 rvec *x,
1308                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1309                                 int cxy_start, int cxy_end,
1310                                 int *sort_work)
1311 {
1312     int  cxy;
1313     int  cx, cy, cz, ncz, cfilled, c;
1314     int  na, ash, ind, a;
1315     int  na_c, ash_c;
1316
1317     if (debug)
1318     {
1319         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1320                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1321     }
1322
1323     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1324     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1325     {
1326         cx = cxy/grid->ncy;
1327         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1328
1329         na  = grid->cxy_na[cxy];
1330         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1331         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1332
1333         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1334         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1335                    nbs->a+ash, na, x,
1336                    grid->c0[ZZ],
1337                    1.0/grid->size[ZZ], ncz*grid->na_sc,
1338                    sort_work);
1339
1340         /* Fill the ncz cells in this column */
1341         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1342         for (cz = 0; cz < ncz; cz++)
1343         {
1344             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1345
1346             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1347             na_c  = min(grid->na_sc, na-(ash_c-ash));
1348
1349             fill_cell(nbs, grid, nbat,
1350                       ash_c, ash_c+na_c, atinfo, x,
1351                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1352                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1353                       grid->na_sc*cz,
1354                       NULL);
1355
1356             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1357              * But it allows to use the same grid search code
1358              * for the simple and supersub cell setups.
1359              */
1360             if (na_c > 0)
1361             {
1362                 cfilled = c;
1363             }
1364             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled].lower[BB_Z];
1365             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled].upper[BB_Z];
1366         }
1367
1368         /* Set the unused atom indices to -1 */
1369         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1370         {
1371             nbs->a[ash+ind] = -1;
1372         }
1373     }
1374 }
1375
1376 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1377 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1378                                   int dd_zone,
1379                                   nbnxn_grid_t *grid,
1380                                   int a0, int a1,
1381                                   const int *atinfo,
1382                                   rvec *x,
1383                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1384                                   int cxy_start, int cxy_end,
1385                                   int *sort_work)
1386 {
1387     int        cxy;
1388     int        cx, cy, cz = -1, c = -1, ncz;
1389     int        na, ash, na_c, ind, a;
1390     int        subdiv_z, sub_z, na_z, ash_z;
1391     int        subdiv_y, sub_y, na_y, ash_y;
1392     int        subdiv_x, sub_x, na_x, ash_x;
1393
1394     nbnxn_bb_t bb_work_array[2], *bb_work_aligned;
1395
1396     bb_work_aligned = (nbnxn_bb_t *)(((size_t)(bb_work_array+1)) & (~((size_t)15)));
1397
1398     if (debug)
1399     {
1400         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1401                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1402     }
1403
1404     subdiv_x = grid->na_c;
1405     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1406     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1407
1408     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1409     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1410     {
1411         cx = cxy/grid->ncy;
1412         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1413
1414         na  = grid->cxy_na[cxy];
1415         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1416         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1417
1418         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1419         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1420                    nbs->a+ash, na, x,
1421                    grid->c0[ZZ],
1422                    1.0/grid->size[ZZ], ncz*grid->na_sc,
1423                    sort_work);
1424
1425         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1426         for (sub_z = 0; sub_z < ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1427         {
1428             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1429             na_z  = min(subdiv_z, na-(ash_z-ash));
1430
1431             /* We have already sorted on z */
1432
1433             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1434             {
1435                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1436                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1437
1438                 /* The number of atoms in this supercell */
1439                 na_c = min(grid->na_sc, na-(ash_z-ash));
1440
1441                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL, (na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1442
1443                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1444                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1445                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1446             }
1447
1448 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1449             /* Sort the atoms along y */
1450             sort_atoms(YY, (sub_z & 1), dd_zone,
1451                        nbs->a+ash_z, na_z, x,
1452                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy,
1453                        grid->inv_sy, subdiv_z,
1454                        sort_work);
1455 #endif
1456
1457             for (sub_y = 0; sub_y < GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1458             {
1459                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1460                 na_y  = min(subdiv_y, na-(ash_y-ash));
1461
1462 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1463                 /* Sort the atoms along x */
1464                 sort_atoms(XX, ((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1), dd_zone,
1465                            nbs->a+ash_y, na_y, x,
1466                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx,
1467                            grid->inv_sx, subdiv_y,
1468                            sort_work);
1469 #endif
1470
1471                 for (sub_x = 0; sub_x < GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1472                 {
1473                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1474                     na_x  = min(subdiv_x, na-(ash_x-ash));
1475
1476                     fill_cell(nbs, grid, nbat,
1477                               ash_x, ash_x+na_x, atinfo, x,
1478                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1479                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1480                               grid->na_c*sub_z,
1481                               bb_work_aligned);
1482                 }
1483             }
1484         }
1485
1486         /* Set the unused atom indices to -1 */
1487         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1488         {
1489             nbs->a[ash+ind] = -1;
1490         }
1491     }
1492 }
1493
1494 /* Determine in which grid column atoms should go */
1495 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1496                                 int a0, int a1,
1497                                 rvec *x,
1498                                 int dd_zone, const int *move,
1499                                 int thread, int nthread,
1500                                 int *cell,
1501                                 int *cxy_na)
1502 {
1503     int  n0, n1, i;
1504     int  cx, cy;
1505
1506     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1507     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1508     {
1509         cxy_na[i] = 0;
1510     }
1511
1512     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1513     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1514     if (dd_zone == 0)
1515     {
1516         /* Home zone */
1517         for (i = n0; i < n1; i++)
1518         {
1519             if (move == NULL || move[i] >= 0)
1520             {
1521                 /* We need to be careful with rounding,
1522                  * particles might be a few bits outside the local zone.
1523                  * The int cast takes care of the lower bound,
1524                  * we will explicitly take care of the upper bound.
1525                  */
1526                 cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1527                 cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1528
1529 #ifndef NDEBUG
1530                 if (cx < 0 || cx > grid->ncx ||
1531                     cy < 0 || cy > grid->ncy)
1532                 {
1533                     gmx_fatal(FARGS,
1534                               "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)\n"
1535                               "atom %f %f %f, grid->c0 %f %f",
1536                               cx, cy, grid->ncx, grid->ncy,
1537                               x[i][XX], x[i][YY], x[i][ZZ], grid->c0[XX], grid->c0[YY]);
1538                 }
1539 #endif
1540                 /* Take care of potential rouding issues */
1541                 cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1542                 cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1543
1544                 /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1545                  * x and y indices, not z.
1546                  */
1547                 cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1548             }
1549             else
1550             {
1551                 /* Put this moved particle after the end of the grid,
1552                  * so we can process it later without using conditionals.
1553                  */
1554                 cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1555             }
1556
1557             cxy_na[cell[i]]++;
1558         }
1559     }
1560     else
1561     {
1562         /* Non-home zone */
1563         for (i = n0; i < n1; i++)
1564         {
1565             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1566             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1567
1568             /* For non-home zones there could be particles outside
1569              * the non-bonded cut-off range, which have been communicated
1570              * for bonded interactions only. For the result it doesn't
1571              * matter where these end up on the grid. For performance
1572              * we put them in an extra row at the border.
1573              */
1574             cx = max(cx, 0);
1575             cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1576             cy = max(cy, 0);
1577             cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1578
1579             /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1580              * x and y indices, not z.
1581              */
1582             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1583
1584             cxy_na[cell[i]]++;
1585         }
1586     }
1587 }
1588
1589 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1590 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1591                               int dd_zone,
1592                               nbnxn_grid_t *grid,
1593                               int a0, int a1,
1594                               const int *atinfo,
1595                               rvec *x,
1596                               const int *move,
1597                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1598 {
1599     int   n0, n1, i;
1600     int   cx, cy, cxy, ncz_max, ncz;
1601     int   nthread, thread;
1602     int  *cxy_na, cxy_na_i;
1603
1604     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1605
1606 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1607     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1608     {
1609         calc_column_indices(grid, a0, a1, x, dd_zone, move, thread, nthread,
1610                             nbs->cell, nbs->work[thread].cxy_na);
1611     }
1612
1613     /* Make the cell index as a function of x and y */
1614     ncz_max          = 0;
1615     ncz              = 0;
1616     grid->cxy_ind[0] = 0;
1617     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1618     {
1619         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1620          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1621          * that do not need to be ordered on the grid.
1622          */
1623         if (ncz > ncz_max)
1624         {
1625             ncz_max = ncz;
1626         }
1627         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1628         for (thread = 1; thread < nthread; thread++)
1629         {
1630             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1631         }
1632         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1633         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1634         {
1635             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1636             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1637         }
1638         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1639         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1640         grid->cxy_na[i] = 0;
1641     }
1642     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1643
1644     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1645
1646     if (debug)
1647     {
1648         fprintf(debug, "ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1649                 grid->na_sc, grid->na_c, grid->nc,
1650                 grid->ncx, grid->ncy, grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1651                 ncz_max);
1652         if (gmx_debug_at)
1653         {
1654             i = 0;
1655             for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1656             {
1657                 for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1658                 {
1659                     fprintf(debug, " %2d", grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1660                     i++;
1661                 }
1662                 fprintf(debug, "\n");
1663             }
1664         }
1665     }
1666
1667     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1668     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1669     {
1670         for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1671         {
1672             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1673                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1674             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1675                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1676             /* When not in use, all elements should be -1 */
1677             for (i = 0; i < nbs->work[thread].sort_work_nalloc; i++)
1678             {
1679                 nbs->work[thread].sort_work[i] = -1;
1680             }
1681         }
1682     }
1683
1684     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1685      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1686      */
1687     for (i = a0; i < a1; i++)
1688     {
1689         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1690         cxy = nbs->cell[i];
1691         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1692     }
1693
1694     if (dd_zone == 0)
1695     {
1696         /* Set the cell indices for the moved particles */
1697         n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1698         n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1699         if (dd_zone == 0)
1700         {
1701             for (i = n0; i < n1; i++)
1702             {
1703                 nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1704             }
1705         }
1706     }
1707
1708     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1709 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1710     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1711     {
1712         if (grid->bSimple)
1713         {
1714             sort_columns_simple(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1715                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1716                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1717                                 nbs->work[thread].sort_work);
1718         }
1719         else
1720         {
1721             sort_columns_supersub(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1722                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1723                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1724                                   nbs->work[thread].sort_work);
1725         }
1726     }
1727
1728     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1729     {
1730         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb);
1731     }
1732
1733     if (!grid->bSimple)
1734     {
1735         grid->nsubc_tot = 0;
1736         for (i = 0; i < grid->nc; i++)
1737         {
1738             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1739         }
1740     }
1741
1742     if (debug)
1743     {
1744         if (grid->bSimple)
1745         {
1746             print_bbsizes_simple(debug, grid);
1747         }
1748         else
1749         {
1750             fprintf(debug, "ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1751                     grid->nsubc_tot, (a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1752
1753             print_bbsizes_supersub(debug, grid);
1754         }
1755     }
1756 }
1757
1758 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
1759                               int                   natoms)
1760 {
1761     int b;
1762
1763     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
1764     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
1765     {
1766         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
1767         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
1768     }
1769     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
1770     {
1771         bitmask_clear(&(flags->flag[b]));
1772     }
1773 }
1774
1775 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
1776  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
1777  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
1778  */
1779 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
1780                        int ePBC, matrix box,
1781                        int dd_zone,
1782                        rvec corner0, rvec corner1,
1783                        int a0, int a1,
1784                        real atom_density,
1785                        const int *atinfo,
1786                        rvec *x,
1787                        int nmoved, int *move,
1788                        int nb_kernel_type,
1789                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
1790 {
1791     nbnxn_grid_t *grid;
1792     int           n;
1793     int           nc_max_grid, nc_max;
1794
1795     grid = &nbs->grid[dd_zone];
1796
1797     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1798
1799     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
1800
1801     grid->na_c      = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
1802     grid->na_cj     = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
1803     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
1804     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
1805
1806     nbat->na_c = grid->na_c;
1807
1808     if (dd_zone == 0)
1809     {
1810         grid->cell0 = 0;
1811     }
1812     else
1813     {
1814         grid->cell0 =
1815             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
1816             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
1817     }
1818
1819     n = a1 - a0;
1820
1821     if (dd_zone == 0)
1822     {
1823         nbs->ePBC = ePBC;
1824         copy_mat(box, nbs->box);
1825
1826         /* Avoid zero density */
1827         if (atom_density > 0)
1828         {
1829             grid->atom_density = atom_density;
1830         }
1831         else
1832         {
1833             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved, corner0, corner1);
1834         }
1835
1836         grid->cell0 = 0;
1837
1838         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
1839         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
1840          * for the local atoms (dd_zone=0).
1841          */
1842         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
1843
1844         if (debug)
1845         {
1846             fprintf(debug, "natoms_local = %5d atom_density = %5.1f\n",
1847                     nbs->natoms_local, grid->atom_density);
1848         }
1849     }
1850     else
1851     {
1852         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal, a1);
1853     }
1854
1855     /* We always use the home zone (grid[0]) for setting the cell size,
1856      * since determining densities for non-local zones is difficult.
1857      */
1858     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs, grid,
1859                                    dd_zone, n-nmoved, corner0, corner1,
1860                                    nbs->grid[0].atom_density);
1861
1862     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
1863
1864     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
1865     {
1866         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
1867         srenew(nbs->cell, nbs->cell_nalloc);
1868     }
1869
1870     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
1871      * make sure we have enough space.
1872      */
1873     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
1874     {
1875         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
1876         srenew(nbs->a, nbs->a_nalloc);
1877     }
1878
1879     /* We need padding up to a multiple of the buffer flag size: simply add */
1880     if (nc_max*grid->na_sc + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE > nbat->nalloc)
1881     {
1882         nbnxn_atomdata_realloc(nbat, nc_max*grid->na_sc+NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE);
1883     }
1884
1885     calc_cell_indices(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, move, nbat);
1886
1887     if (dd_zone == 0)
1888     {
1889         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
1890     }
1891
1892     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1893 }
1894
1895 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
1896 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t            nbs,
1897                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
1898                                 const int                *atinfo,
1899                                 rvec                     *x,
1900                                 int                       nb_kernel_type,
1901                                 nbnxn_atomdata_t         *nbat)
1902 {
1903     int  zone, d;
1904     rvec c0, c1;
1905
1906     for (zone = 1; zone < zones->n; zone++)
1907     {
1908         for (d = 0; d < DIM; d++)
1909         {
1910             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
1911             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
1912         }
1913
1914         nbnxn_put_on_grid(nbs, nbs->ePBC, NULL,
1915                           zone, c0, c1,
1916                           zones->cg_range[zone],
1917                           zones->cg_range[zone+1],
1918                           -1,
1919                           atinfo,
1920                           x,
1921                           0, NULL,
1922                           nb_kernel_type,
1923                           nbat);
1924     }
1925 }
1926
1927 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
1928 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t    nbs,
1929                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
1930 {
1931     nbnxn_grid_t *grid;
1932     float        *bbcz;
1933     nbnxn_bb_t   *bb;
1934     int           ncd, sc;
1935     int           nthreads gmx_unused;
1936
1937     grid = &nbs->grid[0];
1938
1939     if (grid->bSimple)
1940     {
1941         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
1942     }
1943
1944     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1945
1946     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
1947     {
1948         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
1949         srenew(grid->bbcz_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
1950         srenew(grid->bb_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1951         srenew(grid->flags_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1952         if (nbat->XFormat)
1953         {
1954             sfree_aligned(grid->bbj);
1955             snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc_simple/2, 16);
1956         }
1957     }
1958
1959     bbcz = grid->bbcz_simple;
1960     bb   = grid->bb_simple;
1961
1962     nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1963 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
1964     for (sc = 0; sc < grid->nc; sc++)
1965     {
1966         int c, tx, na;
1967
1968         for (c = 0; c < ncd; c++)
1969         {
1970             tx = sc*ncd + c;
1971
1972             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1973             while (na > 0 &&
1974                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
1975             {
1976                 na--;
1977             }
1978
1979             if (na > 0)
1980             {
1981                 switch (nbat->XFormat)
1982                 {
1983                     case nbatX4:
1984                         /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
1985                         calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+tx*STRIDE_P4,
1986                                                bb+tx);
1987                         break;
1988                     case nbatX8:
1989                         /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
1990                         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
1991                                                bb+tx);
1992                         break;
1993                     default:
1994                         calc_bounding_box(na, nbat->xstride,
1995                                           nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
1996                                           bb+tx);
1997                         break;
1998                 }
1999                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx].lower[BB_Z];
2000                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx].upper[BB_Z];
2001
2002                 /* No interaction optimization yet here */
2003                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
2004             }
2005             else
2006             {
2007                 grid->flags_simple[tx] = 0;
2008             }
2009         }
2010     }
2011
2012     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
2013     {
2014         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb_simple);
2015     }
2016 }
2017
2018 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs, int *ncx, int *ncy)
2019 {
2020     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
2021     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
2022 }
2023
2024 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs, int **a, int *n)
2025 {
2026     const nbnxn_grid_t *grid;
2027
2028     grid = &nbs->grid[0];
2029
2030     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
2031     *a  = nbs->a;
2032
2033     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
2034 }
2035
2036 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
2037 {
2038     nbnxn_grid_t *grid;
2039     int           ao, cx, cy, cxy, cz, j;
2040
2041     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
2042     grid = &nbs->grid[0];
2043
2044     ao = 0;
2045     for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
2046     {
2047         for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
2048         {
2049             cxy = cx*grid->ncy + cy;
2050             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
2051             for (cz = 0; cz < grid->cxy_na[cxy]; cz++)
2052             {
2053                 nbs->a[j]     = ao;
2054                 nbs->cell[ao] = j;
2055                 ao++;
2056                 j++;
2057             }
2058         }
2059     }
2060 }
2061
2062 /* Determines the cell range along one dimension that
2063  * the bounding box b0 - b1 sees.
2064  */
2065 static void get_cell_range(real b0, real b1,
2066                            int nc, real c0, real s, real invs,
2067                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
2068 {
2069     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs), 0);
2070
2071     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
2072     {
2073         (*cf)--;
2074     }
2075
2076     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs), nc-1);
2077     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
2078     {
2079         (*cl)++;
2080     }
2081 }
2082
2083 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2084 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
2085                        float by1, float bz0, float bz1,
2086                        const nbnxn_bb_t *bb)
2087 {
2088     float d2;
2089     float dl, dh, dm, dm0;
2090
2091     d2 = 0;
2092
2093     dl  = bx0 - bb->upper[BB_X];
2094     dh  = bb->lower[BB_X] - bx1;
2095     dm  = max(dl, dh);
2096     dm0 = max(dm, 0);
2097     d2 += dm0*dm0;
2098
2099     dl  = by0 - bb->upper[BB_Y];
2100     dh  = bb->lower[BB_Y] - by1;
2101     dm  = max(dl, dh);
2102     dm0 = max(dm, 0);
2103     d2 += dm0*dm0;
2104
2105     dl  = bz0 - bb->upper[BB_Z];
2106     dh  = bb->lower[BB_Z] - bz1;
2107     dm  = max(dl, dh);
2108     dm0 = max(dm, 0);
2109     d2 += dm0*dm0;
2110
2111     return d2;
2112 }
2113
2114 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2115 static float subc_bb_dist2(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2116                            int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2117 {
2118     const nbnxn_bb_t *bb_i, *bb_j;
2119     float             d2;
2120     float             dl, dh, dm, dm0;
2121
2122     bb_i = bb_i_ci  +  si;
2123     bb_j = bb_j_all + csj;
2124
2125     d2 = 0;
2126
2127     dl  = bb_i->lower[BB_X] - bb_j->upper[BB_X];
2128     dh  = bb_j->lower[BB_X] - bb_i->upper[BB_X];
2129     dm  = max(dl, dh);
2130     dm0 = max(dm, 0);
2131     d2 += dm0*dm0;
2132
2133     dl  = bb_i->lower[BB_Y] - bb_j->upper[BB_Y];
2134     dh  = bb_j->lower[BB_Y] - bb_i->upper[BB_Y];
2135     dm  = max(dl, dh);
2136     dm0 = max(dm, 0);
2137     d2 += dm0*dm0;
2138
2139     dl  = bb_i->lower[BB_Z] - bb_j->upper[BB_Z];
2140     dh  = bb_j->lower[BB_Z] - bb_i->upper[BB_Z];
2141     dm  = max(dl, dh);
2142     dm0 = max(dm, 0);
2143     d2 += dm0*dm0;
2144
2145     return d2;
2146 }
2147
2148 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
2149
2150 /* 4-wide SIMD code for bb distance for bb format xyz0 */
2151 static float subc_bb_dist2_simd4(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2152                                  int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2153 {
2154     gmx_simd4_float_t bb_i_S0, bb_i_S1;
2155     gmx_simd4_float_t bb_j_S0, bb_j_S1;
2156     gmx_simd4_float_t dl_S;
2157     gmx_simd4_float_t dh_S;
2158     gmx_simd4_float_t dm_S;
2159     gmx_simd4_float_t dm0_S;
2160
2161     bb_i_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].lower[0]);
2162     bb_i_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].upper[0]);
2163     bb_j_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].lower[0]);
2164     bb_j_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].upper[0]);
2165
2166     dl_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_i_S0, bb_j_S1);
2167     dh_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_j_S0, bb_i_S1);
2168
2169     dm_S    = gmx_simd4_max_f(dl_S, dh_S);
2170     dm0_S   = gmx_simd4_max_f(dm_S, gmx_simd4_setzero_f());
2171
2172     return gmx_simd4_dotproduct3_f(dm0_S, dm0_S);
2173 }
2174
2175 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2176 #define SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
2177     {                                                \
2178         int               shi;                                  \
2179                                                  \
2180         gmx_simd4_float_t dx_0, dy_0, dz_0;                    \
2181         gmx_simd4_float_t dx_1, dy_1, dz_1;                    \
2182                                                  \
2183         gmx_simd4_float_t mx, my, mz;                          \
2184         gmx_simd4_float_t m0x, m0y, m0z;                       \
2185                                                  \
2186         gmx_simd4_float_t d2x, d2y, d2z;                       \
2187         gmx_simd4_float_t d2s, d2t;                            \
2188                                                  \
2189         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2190                                                  \
2191         xi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
2192         yi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
2193         zi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
2194         xi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
2195         yi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
2196         zi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
2197                                                  \
2198         dx_0 = gmx_simd4_sub_f(xi_l, xj_h);                 \
2199         dy_0 = gmx_simd4_sub_f(yi_l, yj_h);                 \
2200         dz_0 = gmx_simd4_sub_f(zi_l, zj_h);                 \
2201                                                  \
2202         dx_1 = gmx_simd4_sub_f(xj_l, xi_h);                 \
2203         dy_1 = gmx_simd4_sub_f(yj_l, yi_h);                 \
2204         dz_1 = gmx_simd4_sub_f(zj_l, zi_h);                 \
2205                                                  \
2206         mx   = gmx_simd4_max_f(dx_0, dx_1);                 \
2207         my   = gmx_simd4_max_f(dy_0, dy_1);                 \
2208         mz   = gmx_simd4_max_f(dz_0, dz_1);                 \
2209                                                  \
2210         m0x  = gmx_simd4_max_f(mx, zero);                   \
2211         m0y  = gmx_simd4_max_f(my, zero);                   \
2212         m0z  = gmx_simd4_max_f(mz, zero);                   \
2213                                                  \
2214         d2x  = gmx_simd4_mul_f(m0x, m0x);                   \
2215         d2y  = gmx_simd4_mul_f(m0y, m0y);                   \
2216         d2z  = gmx_simd4_mul_f(m0z, m0z);                   \
2217                                                  \
2218         d2s  = gmx_simd4_add_f(d2x, d2y);                   \
2219         d2t  = gmx_simd4_add_f(d2s, d2z);                   \
2220                                                  \
2221         gmx_simd4_store_f(d2+si, d2t);                      \
2222     }
2223
2224 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2225 static void subc_bb_dist2_simd4_xxxx(const float *bb_j,
2226                                      int nsi, const float *bb_i,
2227                                      float *d2)
2228 {
2229     gmx_simd4_float_t xj_l, yj_l, zj_l;
2230     gmx_simd4_float_t xj_h, yj_h, zj_h;
2231     gmx_simd4_float_t xi_l, yi_l, zi_l;
2232     gmx_simd4_float_t xi_h, yi_h, zi_h;
2233
2234     gmx_simd4_float_t zero;
2235
2236     zero = gmx_simd4_setzero_f();
2237
2238     xj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
2239     yj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
2240     zj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
2241     xj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
2242     yj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
2243     zj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
2244
2245     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
2246      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2247      */
2248     SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
2249     if (STRIDE_PBB < nsi)
2250     {
2251         SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
2252     }
2253 }
2254
2255 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
2256
2257 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2258  * is within distance sqrt(rl2).
2259  */
2260 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2261                                 int si, const real *x_i,
2262                                 int csj, int stride, const real *x_j,
2263                                 real rl2)
2264 {
2265     int  i, j, i0, j0;
2266     real d2;
2267
2268     for (i = 0; i < na_c; i++)
2269     {
2270         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2271         for (j = 0; j < na_c; j++)
2272         {
2273             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2274
2275             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2276                 sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2277                 sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2278
2279             if (d2 < rl2)
2280             {
2281                 return TRUE;
2282             }
2283         }
2284     }
2285
2286     return FALSE;
2287 }
2288
2289 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
2290
2291 /* 4-wide SIMD function which determines if any atom pair between two cells,
2292  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2293  * Using 8-wide AVX is not faster on Intel Sandy Bridge.
2294  */
2295 static gmx_bool subc_in_range_simd4(int na_c,
2296                                     int si, const real *x_i,
2297                                     int csj, int stride, const real *x_j,
2298                                     real rl2)
2299 {
2300     gmx_simd4_real_t ix_S0, iy_S0, iz_S0;
2301     gmx_simd4_real_t ix_S1, iy_S1, iz_S1;
2302
2303     gmx_simd4_real_t rc2_S;
2304
2305     int              dim_stride;
2306     int              j0, j1;
2307
2308     rc2_S   = gmx_simd4_set1_r(rl2);
2309
2310     dim_stride = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_PBB*DIM;
2311     ix_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+0)*STRIDE_PBB);
2312     iy_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+1)*STRIDE_PBB);
2313     iz_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+2)*STRIDE_PBB);
2314     ix_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+3)*STRIDE_PBB);
2315     iy_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+4)*STRIDE_PBB);
2316     iz_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+5)*STRIDE_PBB);
2317
2318     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2319      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2320      */
2321     j0 = csj*na_c;
2322     j1 = j0 + na_c - 1;
2323     while (j0 < j1)
2324     {
2325         gmx_simd4_real_t jx0_S, jy0_S, jz0_S;
2326         gmx_simd4_real_t jx1_S, jy1_S, jz1_S;
2327
2328         gmx_simd4_real_t dx_S0, dy_S0, dz_S0;
2329         gmx_simd4_real_t dx_S1, dy_S1, dz_S1;
2330         gmx_simd4_real_t dx_S2, dy_S2, dz_S2;
2331         gmx_simd4_real_t dx_S3, dy_S3, dz_S3;
2332
2333         gmx_simd4_real_t rsq_S0;
2334         gmx_simd4_real_t rsq_S1;
2335         gmx_simd4_real_t rsq_S2;
2336         gmx_simd4_real_t rsq_S3;
2337
2338         gmx_simd4_bool_t wco_S0;
2339         gmx_simd4_bool_t wco_S1;
2340         gmx_simd4_bool_t wco_S2;
2341         gmx_simd4_bool_t wco_S3;
2342         gmx_simd4_bool_t wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
2343
2344         jx0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+0]);
2345         jy0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+1]);
2346         jz0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+2]);
2347
2348         jx1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+0]);
2349         jy1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+1]);
2350         jz1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+2]);
2351
2352         /* Calculate distance */
2353         dx_S0            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx0_S);
2354         dy_S0            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy0_S);
2355         dz_S0            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz0_S);
2356         dx_S1            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx0_S);
2357         dy_S1            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy0_S);
2358         dz_S1            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz0_S);
2359         dx_S2            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx1_S);
2360         dy_S2            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy1_S);
2361         dz_S2            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz1_S);
2362         dx_S3            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx1_S);
2363         dy_S3            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy1_S);
2364         dz_S3            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz1_S);
2365
2366         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2367         rsq_S0           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
2368         rsq_S1           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
2369         rsq_S2           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
2370         rsq_S3           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
2371
2372         wco_S0           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S0, rc2_S);
2373         wco_S1           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S1, rc2_S);
2374         wco_S2           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S2, rc2_S);
2375         wco_S3           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S3, rc2_S);
2376
2377         wco_any_S01      = gmx_simd4_or_b(wco_S0, wco_S1);
2378         wco_any_S23      = gmx_simd4_or_b(wco_S2, wco_S3);
2379         wco_any_S        = gmx_simd4_or_b(wco_any_S01, wco_any_S23);
2380
2381         if (gmx_simd4_anytrue_b(wco_any_S))
2382         {
2383             return TRUE;
2384         }
2385
2386         j0++;
2387         j1--;
2388     }
2389     return FALSE;
2390
2391 }
2392 #endif
2393
2394
2395 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2396 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2397 {
2398     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].cj[cj_ind & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1)];
2399 }
2400
2401 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2402 static unsigned int nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2403 {
2404     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].imei[0].imask;
2405 }
2406
2407 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2408 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
2409 {
2410     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2411     {
2412         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2413         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2414                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2415                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2416                            nbl->alloc, nbl->free);
2417     }
2418 }
2419
2420 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2421 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2422                                             int               ncell)
2423 {
2424     int cj_max;
2425
2426     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2427
2428     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2429     {
2430         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2431         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2432                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2433                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2434                            nbl->alloc, nbl->free);
2435     }
2436 }
2437
2438 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2439 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2440                                               int               nsupercell)
2441 {
2442     int ncj4_max, j4, j, w, t;
2443
2444 #define NWARP       2
2445 #define WARP_SIZE  32
2446
2447     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2448     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2449      * since we round down, we need one extra entry.
2450      */
2451     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2452
2453     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2454     {
2455         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2456         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2457                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2458                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2459                            nbl->alloc, nbl->free);
2460     }
2461
2462     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2463     {
2464         for (j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
2465         {
2466             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2467             for (w = 0; w < NWARP; w++)
2468             {
2469                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2470                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2471
2472             }
2473         }
2474         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2475     }
2476 }
2477
2478 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2479 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2480 {
2481     int t;
2482
2483     for (t = 0; t < WARP_SIZE; t++)
2484     {
2485         /* Turn all interaction bits on */
2486         excl->pair[t] = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
2487     }
2488 }
2489
2490 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2491 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2492                                 gmx_bool          bSimple,
2493                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
2494                                 nbnxn_free_t     *free)
2495 {
2496     if (alloc == NULL)
2497     {
2498         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2499     }
2500     else
2501     {
2502         nbl->alloc = alloc;
2503     }
2504     if (free == NULL)
2505     {
2506         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2507     }
2508     else
2509     {
2510         nbl->free = free;
2511     }
2512
2513     nbl->bSimple     = bSimple;
2514     nbl->na_sc       = 0;
2515     nbl->na_ci       = 0;
2516     nbl->na_cj       = 0;
2517     nbl->nci         = 0;
2518     nbl->ci          = NULL;
2519     nbl->ci_nalloc   = 0;
2520     nbl->ncj         = 0;
2521     nbl->cj          = NULL;
2522     nbl->cj_nalloc   = 0;
2523     nbl->ncj4        = 0;
2524     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2525     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2526     nbl->cj4         = NULL;
2527     nbl->nci_tot     = 0;
2528
2529     if (!nbl->bSimple)
2530     {
2531         nbl->excl        = NULL;
2532         nbl->excl_nalloc = 0;
2533         nbl->nexcl       = 0;
2534         check_excl_space(nbl, 1);
2535         nbl->nexcl       = 1;
2536         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2537     }
2538
2539     snew(nbl->work, 1);
2540     if (nbl->bSimple)
2541     {
2542         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, 1, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2543     }
2544     else
2545     {
2546 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2547         snew_aligned(nbl->work->pbb_ci, GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2548 #else
2549         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2550 #endif
2551     }
2552     snew_aligned(nbl->work->x_ci, NBNXN_NA_SC_MAX*DIM, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2553 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2554     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_4xn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2555     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_2xnn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2556 #endif
2557     snew_aligned(nbl->work->d2, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2558
2559     nbl->work->sort            = NULL;
2560     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
2561     nbl->work->sci_sort        = NULL;
2562     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
2563 }
2564
2565 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2566                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2567                              nbnxn_alloc_t *alloc,
2568                              nbnxn_free_t  *free)
2569 {
2570     int i;
2571
2572     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2573     nbl_list->bCombined = bCombined;
2574
2575     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2576
2577     if (!nbl_list->bCombined &&
2578         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
2579     {
2580         gmx_fatal(FARGS, "%d OpenMP threads were requested. Since the non-bonded force buffer reduction is prohibitively slow with more than %d threads, we do not allow this. Use %d or less OpenMP threads.",
2581                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
2582     }
2583
2584     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
2585     snew(nbl_list->nbl_fep, nbl_list->nnbl);
2586     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2587 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2588     for (i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
2589     {
2590         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2591          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2592          */
2593         snew(nbl_list->nbl[i], 1);
2594
2595         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2596         if (i == 0)
2597         {
2598             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
2599         }
2600         else
2601         {
2602             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, NULL, NULL);
2603         }
2604
2605         snew(nbl_list->nbl_fep[i], 1);
2606         nbnxn_init_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[i]);
2607     }
2608 }
2609
2610 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2611 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2612                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2613 {
2614     const nbnxn_grid_t *grid;
2615     int                 cs[SHIFTS];
2616     int                 s, i, j;
2617     int                 npexcl;
2618
2619     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2620     grid = &nbs->grid[0];
2621
2622     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
2623             nbl->nci, nbl->ncj);
2624     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2625             nbl->na_sc, rl, nbl->ncj, nbl->ncj/(double)grid->nc,
2626             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2627             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc/(0.5*4.0/3.0*M_PI*rl*rl*rl*grid->nc*grid->na_sc/(grid->size[XX]*grid->size[YY]*grid->size[ZZ])));
2628
2629     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
2630             0.25*nbl->ncj/(double)nbl->nci);
2631
2632     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2633     {
2634         cs[s] = 0;
2635     }
2636     npexcl = 0;
2637     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
2638     {
2639         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2640             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2641
2642         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2643         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2644                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2645         {
2646             npexcl++;
2647             j++;
2648         }
2649     }
2650     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2651             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)nbl->ncj);
2652     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2653     {
2654         if (cs[s] > 0)
2655         {
2656             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
2657         }
2658     }
2659 }
2660
2661 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2662 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2663                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2664 {
2665     const nbnxn_grid_t *grid;
2666     int                 i, j4, j, si, b;
2667     int                 c[GPU_NSUBCELL+1];
2668
2669     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2670     grid = &nbs->grid[0];
2671
2672     fprintf(fp, "nbl nsci %d ncj4 %d nsi %d excl4 %d\n",
2673             nbl->nsci, nbl->ncj4, nbl->nci_tot, nbl->nexcl);
2674     fprintf(fp, "nbl na_c %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2675             nbl->na_ci, rl, nbl->nci_tot, nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot,
2676             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c,
2677             nbl->nci_tot/(double)grid->nsubc_tot*grid->na_c/(0.5*4.0/3.0*M_PI*rl*rl*rl*grid->nsubc_tot*grid->na_c/(grid->size[XX]*grid->size[YY]*grid->size[ZZ])));
2678
2679     fprintf(fp, "nbl average j super cell list length %.1f\n",
2680             0.25*nbl->ncj4/(double)nbl->nsci);
2681     fprintf(fp, "nbl average i sub cell list length %.1f\n",
2682             nbl->nci_tot/((double)nbl->ncj4));
2683
2684     for (si = 0; si <= GPU_NSUBCELL; si++)
2685     {
2686         c[si] = 0;
2687     }
2688     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2689     {
2690         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2691         {
2692             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
2693             {
2694                 b = 0;
2695                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
2696                 {
2697                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2698                     {
2699                         b++;
2700                     }
2701                 }
2702                 c[b]++;
2703             }
2704         }
2705     }
2706     for (b = 0; b <= GPU_NSUBCELL; b++)
2707     {
2708         fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2709                 b, c[b], 100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2710     }
2711 }
2712
2713 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
2714 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2715                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2716 {
2717     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2718     {
2719         /* No exclusions set, make a new list entry */
2720         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
2721         nbl->nexcl++;
2722         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2723         set_no_excls(*excl);
2724     }
2725     else
2726     {
2727         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
2728         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2729     }
2730 }
2731
2732 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
2733  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2734  */
2735 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2736                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2737 {
2738     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2739     {
2740         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
2741         check_excl_space(nbl, 1);
2742     }
2743     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
2744 }
2745
2746 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
2747  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2748  */
2749 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2750                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
2751                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
2752 {
2753     /* Check for space we might need */
2754     check_excl_space(nbl, 2);
2755
2756     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
2757     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
2758 }
2759
2760 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
2761 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2762                                                int cj4_ind, int sj_offset,
2763                                                int si)
2764 {
2765     nbnxn_excl_t *excl[2];
2766     int           ei, ej, w;
2767
2768     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
2769
2770     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
2771
2772     /* Only minor < major bits set */
2773     for (ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
2774     {
2775         w = (ej>>2);
2776         for (ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
2777         {
2778             excl[w]->pair[(ej & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1))*nbl->na_ci + ei] &=
2779                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL + si));
2780         }
2781     }
2782 }
2783
2784 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
2785 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2786 {
2787     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2788 }
2789
2790 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
2791 static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2792 {
2793     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 :
2794             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 :
2795              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2796 }
2797
2798 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
2799 static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2800 {
2801     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2802 }
2803
2804 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
2805 static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2806 {
2807     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 :
2808             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 :
2809              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2810 }
2811
2812 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2813 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
2814 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j2
2815 #endif
2816 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
2817 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j4
2818 #endif
2819 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
2820 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j8
2821 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
2822 #endif
2823 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
2824 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
2825 #endif
2826 #endif
2827
2828 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
2829  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2830  */
2831 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
2832                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
2833                                      int ci, int cjf, int cjl,
2834                                      gmx_bool remove_sub_diag,
2835                                      const real *x_j,
2836                                      real rl2, float rbb2,
2837                                      int *ndistc)
2838 {
2839     const nbnxn_list_work_t *work;
2840
2841     const nbnxn_bb_t        *bb_ci;
2842     const real              *x_ci;
2843
2844     gmx_bool                 InRange;
2845     real                     d2;
2846     int                      cjf_gl, cjl_gl, cj;
2847
2848     work = nbl->work;
2849
2850     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2851     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2852
2853     InRange = FALSE;
2854     while (!InRange && cjf <= cjl)
2855     {
2856         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
2857         *ndistc += 2;
2858
2859         /* Check if the distance is within the distance where
2860          * we use only the bounding box distance rbb,
2861          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2862          * within the cut-off.
2863          */
2864         if (d2 < rbb2)
2865         {
2866             InRange = TRUE;
2867         }
2868         else if (d2 < rl2)
2869         {
2870             int i, j;
2871
2872             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
2873             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2874             {
2875                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2876                 {
2877                     InRange = InRange ||
2878                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2879                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2880                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2881                 }
2882             }
2883             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2884         }
2885         if (!InRange)
2886         {
2887             cjf++;
2888         }
2889     }
2890     if (!InRange)
2891     {
2892         return;
2893     }
2894
2895     InRange = FALSE;
2896     while (!InRange && cjl > cjf)
2897     {
2898         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
2899         *ndistc += 2;
2900
2901         /* Check if the distance is within the distance where
2902          * we use only the bounding box distance rbb,
2903          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2904          * within the cut-off.
2905          */
2906         if (d2 < rbb2)
2907         {
2908             InRange = TRUE;
2909         }
2910         else if (d2 < rl2)
2911         {
2912             int i, j;
2913
2914             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
2915             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2916             {
2917                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2918                 {
2919                     InRange = InRange ||
2920                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2921                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2922                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2923                 }
2924             }
2925             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2926         }
2927         if (!InRange)
2928         {
2929             cjl--;
2930         }
2931     }
2932
2933     if (cjf <= cjl)
2934     {
2935         for (cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
2936         {
2937             /* Store cj and the interaction mask */
2938             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
2939             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
2940             nbl->ncj++;
2941         }
2942         /* Increase the closing index in i super-cell list */
2943         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
2944     }
2945 }
2946
2947 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2948 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_4xn.h"
2949 #endif
2950 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2951 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_2xnn.h"
2952 #endif
2953
2954 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
2955  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2956  */
2957 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_grid_t *gridi,
2958                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
2959                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
2960                                        int sci, int scj,
2961                                        gmx_bool sci_equals_scj,
2962                                        int stride, const real *x,
2963                                        real rl2, float rbb2,
2964                                        int *ndistc)
2965 {
2966     int               na_c;
2967     int               npair;
2968     int               cjo, ci1, ci, cj, cj_gl;
2969     int               cj4_ind, cj_offset;
2970     unsigned int      imask;
2971     nbnxn_cj4_t      *cj4;
2972 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2973     const float      *pbb_ci;
2974 #else
2975     const nbnxn_bb_t *bb_ci;
2976 #endif
2977     const real       *x_ci;
2978     float            *d2l, d2;
2979     int               w;
2980 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
2981 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2982     int  ci_last = -1;
2983 #endif
2984
2985     d2l = nbl->work->d2;
2986
2987 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2988     pbb_ci = nbl->work->pbb_ci;
2989 #else
2990     bb_ci  = nbl->work->bb_ci;
2991 #endif
2992     x_ci   = nbl->work->x_ci;
2993
2994     na_c = gridj->na_c;
2995
2996     for (cjo = 0; cjo < gridj->nsubc[scj]; cjo++)
2997     {
2998         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2999         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3000         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
3001
3002         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
3003
3004         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
3005
3006         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
3007         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
3008         imask              = 0;
3009
3010         if (sci_equals_scj)
3011         {
3012             ci1 = cjo + 1;
3013         }
3014         else
3015         {
3016             ci1 = gridi->nsubc[sci];
3017         }
3018
3019 #ifdef NBNXN_BBXXXX
3020         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
3021         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
3022                                  ci1, pbb_ci, d2l);
3023         *ndistc += na_c*2;
3024 #endif
3025
3026         npair = 0;
3027         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
3028         for (ci = 0; ci < GPU_NSUBCELL; ci++)
3029         {
3030             if (ci == ci1)
3031             {
3032                 break;
3033             }
3034
3035 #ifndef NBNXN_BBXXXX
3036             /* Determine the bb distance between ci and cj */
3037             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
3038             *ndistc += 2;
3039 #endif
3040             d2 = d2l[ci];
3041
3042 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
3043             /* Check if the distance is within the distance where
3044              * we use only the bounding box distance rbb,
3045              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
3046              * within the cut-off. This check is very costly.
3047              */
3048             *ndistc += na_c*na_c;
3049             if (d2 < rbb2 ||
3050                 (d2 < rl2 &&
3051 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3052                  subc_in_range_simd4
3053 #else
3054                  subc_in_range_x
3055 #endif
3056                      (na_c, ci, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
3057 #else
3058             /* Check if the distance between the two bounding boxes
3059              * in within the pair-list cut-off.
3060              */
3061             if (d2 < rl2)
3062 #endif
3063             {
3064                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
3065                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
3066
3067 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3068                 ci_last = ci;
3069 #endif
3070
3071                 npair++;
3072             }
3073         }
3074
3075 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3076         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
3077          * within the cut-off, so we could get rid of it.
3078          */
3079         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
3080         {
3081             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
3082             if (
3083 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3084                 !subc_in_range_simd4
3085 #else
3086                 !subc_in_range_x
3087 #endif
3088                     (na_c, ci_last, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2))
3089             {
3090                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
3091                 npair--;
3092             }
3093         }
3094 #endif
3095
3096         if (npair > 0)
3097         {
3098             /* We have a useful sj entry, close it now */
3099
3100             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3101              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3102              * as it will nearly always be in the list.
3103              */
3104             if (sci_equals_scj)
3105             {
3106                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, cjo);
3107             }
3108
3109             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3110             for (w = 0; w < NWARP; w++)
3111             {
3112                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3113             }
3114
3115             nbl->work->cj_ind++;
3116
3117             /* Keep the count */
3118             nbl->nci_tot += npair;
3119
3120             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3121             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
3122                 ((nbl->work->cj_ind+NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3123         }
3124     }
3125 }
3126
3127 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3128  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3129  */
3130 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3131                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3132                              gmx_bool             diagRemoved,
3133                              int                  na_ci_2log,
3134                              int                  na_cj_2log,
3135                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
3136                              const t_blocka      *excl)
3137 {
3138     const int    *cell;
3139     int           ci;
3140     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3141     int           cj_first, cj_last;
3142     int           ndirect;
3143     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3144     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3145     int           cj_m;
3146     gmx_bool      Found_si;
3147     int           si_ind;
3148     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3149     int           inner_i, inner_e;
3150
3151     cell = nbs->cell;
3152
3153     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3154     {
3155         /* Empty list */
3156         return;
3157     }
3158
3159     ci = nbl_ci->ci;
3160
3161     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3162     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3163
3164     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3165     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3166
3167     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3168      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3169      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3170      */
3171     ndirect = 0;
3172     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3173     {
3174         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3175                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3176         {
3177             ndirect++;
3178         }
3179     }
3180 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3181     else
3182     {
3183         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3184                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log, ci) + ndirect)
3185         {
3186             ndirect++;
3187         }
3188     }
3189 #endif
3190
3191     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3192     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3193     {
3194         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3195         if (ai >= 0)
3196         {
3197             si  = (i>>na_ci_2log);
3198
3199             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3200             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3201             {
3202                 aj = excl->a[eind];
3203
3204                 if (aj == ai)
3205                 {
3206                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3207                     continue;
3208                 }
3209
3210                 ge = cell[aj];
3211
3212                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3213                  * for one-way pair-lists.
3214                  */
3215                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3216                 {
3217                     continue;
3218                 }
3219
3220                 se = (ge >> na_cj_2log);
3221
3222                 /* Could the cluster se be in our list? */
3223                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3224                 {
3225                     if (se < cj_first + ndirect)
3226                     {
3227                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3228                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3229                     }
3230                     else
3231                     {
3232                         /* Search for se using bisection */
3233                         found    = -1;
3234                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3235                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3236                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3237                         {
3238                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3239
3240                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3241
3242                             if (se == cj_m)
3243                             {
3244                                 found = cj_ind_m;
3245                             }
3246                             else if (se < cj_m)
3247                             {
3248                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3249                             }
3250                             else
3251                             {
3252                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3253                             }
3254                         }
3255                     }
3256
3257                     if (found >= 0)
3258                     {
3259                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3260                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3261
3262                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3263                     }
3264                 }
3265             }
3266         }
3267     }
3268 }
3269
3270 /* Add a new i-entry to the FEP list and copy the i-properties */
3271 static gmx_inline void fep_list_new_nri_copy(t_nblist *nlist)
3272 {
3273     /* Add a new i-entry */
3274     nlist->nri++;
3275
3276     assert(nlist->nri < nlist->maxnri);
3277
3278     /* Duplicate the last i-entry, except for jindex, which continues */
3279     nlist->iinr[nlist->nri]   = nlist->iinr[nlist->nri-1];
3280     nlist->shift[nlist->nri]  = nlist->shift[nlist->nri-1];
3281     nlist->gid[nlist->nri]    = nlist->gid[nlist->nri-1];
3282     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3283 }
3284
3285 /* For load balancing of the free-energy lists over threads, we set
3286  * the maximum nrj size of an i-entry to 40. This leads to good
3287  * load balancing in the worst case scenario of a single perturbed
3288  * particle on 16 threads, while not introducing significant overhead.
3289  * Note that half of the perturbed pairs will anyhow end up in very small lists,
3290  * since non perturbed i-particles will see few perturbed j-particles).
3291  */
3292 const int max_nrj_fep = 40;
3293
3294 /* Exclude the perturbed pairs from the Verlet list. This is only done to avoid
3295  * singularities for overlapping particles (0/0), since the charges and
3296  * LJ parameters have been zeroed in the nbnxn data structure.
3297  * Simultaneously make a group pair list for the perturbed pairs.
3298  */
3299 static void make_fep_list(const nbnxn_search_t    nbs,
3300                           const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3301                           nbnxn_pairlist_t       *nbl,
3302                           gmx_bool                bDiagRemoved,
3303                           nbnxn_ci_t             *nbl_ci,
3304                           const nbnxn_grid_t     *gridi,
3305                           const nbnxn_grid_t     *gridj,
3306                           t_nblist               *nlist)
3307 {
3308     int      ci, cj_ind_start, cj_ind_end, cj_ind, cja, cjr;
3309     int      nri_max;
3310     int      ngid, gid_i = 0, gid_j, gid;
3311     int      egp_shift, egp_mask;
3312     int      gid_cj = 0;
3313     int      i, j, ind_i, ind_j, ai, aj;
3314     int      nri;
3315     gmx_bool bFEP_i, bFEP_i_all;
3316
3317     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3318     {
3319         /* Empty list */
3320         return;
3321     }
3322
3323     ci = nbl_ci->ci;
3324
3325     cj_ind_start = nbl_ci->cj_ind_start;
3326     cj_ind_end   = nbl_ci->cj_ind_end;
3327
3328     /* In worst case we have alternating energy groups
3329      * and create #atom-pair lists, which means we need the size
3330      * of a cluster pair (na_ci*na_cj) times the number of cj's.
3331      */
3332     nri_max = nbl->na_ci*nbl->na_cj*(cj_ind_end - cj_ind_start);
3333     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
3334     {
3335         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
3336         reallocate_nblist(nlist);
3337     }
3338
3339     ngid = nbat->nenergrp;
3340
3341     if (ngid*gridj->na_cj > sizeof(gid_cj)*8)
3342     {
3343         gmx_fatal(FARGS, "The Verlet scheme with %dx%d kernels and free-energy only supports up to %d energy groups",
3344                   gridi->na_c, gridj->na_cj, (sizeof(gid_cj)*8)/gridj->na_cj);
3345     }
3346
3347     egp_shift = nbat->neg_2log;
3348     egp_mask  = (1<<nbat->neg_2log) - 1;
3349
3350     /* Loop over the atoms in the i sub-cell */
3351     bFEP_i_all = TRUE;
3352     for (i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
3353     {
3354         ind_i = ci*nbl->na_ci + i;
3355         ai    = nbs->a[ind_i];
3356         if (ai >= 0)
3357         {
3358             nri                  = nlist->nri;
3359             nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
3360             nlist->iinr[nri]     = ai;
3361             /* The actual energy group pair index is set later */
3362             nlist->gid[nri]      = 0;
3363             nlist->shift[nri]    = nbl_ci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
3364
3365             bFEP_i = gridi->fep[ci - gridi->cell0] & (1 << i);
3366
3367             bFEP_i_all = bFEP_i_all && bFEP_i;
3368
3369             if ((nlist->nrj + cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
3370             {
3371                 nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj);
3372                 srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
3373                 srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
3374             }
3375
3376             if (ngid > 1)
3377             {
3378                 gid_i = (nbat->energrp[ci] >> (egp_shift*i)) & egp_mask;
3379             }
3380
3381             for (cj_ind = cj_ind_start; cj_ind < cj_ind_end; cj_ind++)
3382             {
3383                 unsigned int fep_cj;
3384
3385                 cja = nbl->cj[cj_ind].cj;
3386
3387                 if (gridj->na_cj == gridj->na_c)
3388                 {
3389                     cjr    = cja - gridj->cell0;
3390                     fep_cj = gridj->fep[cjr];
3391                     if (ngid > 1)
3392                     {
3393                         gid_cj = nbat->energrp[cja];
3394                     }
3395                 }
3396                 else if (2*gridj->na_cj == gridj->na_c)
3397                 {
3398                     cjr    = cja - gridj->cell0*2;
3399                     /* Extract half of the ci fep/energrp mask */
3400                     fep_cj = (gridj->fep[cjr>>1] >> ((cjr&1)*gridj->na_cj)) & ((1<<gridj->na_cj) - 1);
3401                     if (ngid > 1)
3402                     {
3403                         gid_cj = nbat->energrp[cja>>1] >> ((cja&1)*gridj->na_cj*egp_shift) & ((1<<(gridj->na_cj*egp_shift)) - 1);
3404                     }
3405                 }
3406                 else
3407                 {
3408                     cjr    = cja - (gridj->cell0>>1);
3409                     /* Combine two ci fep masks/energrp */
3410                     fep_cj = gridj->fep[cjr*2] + (gridj->fep[cjr*2+1] << gridj->na_c);
3411                     if (ngid > 1)
3412                     {
3413                         gid_cj = nbat->energrp[cja*2] + (nbat->energrp[cja*2+1] << (gridj->na_c*egp_shift));
3414                     }
3415                 }
3416
3417                 if (bFEP_i || fep_cj != 0)
3418                 {
3419                     for (j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
3420                     {
3421                         /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
3422                         ind_j = cja*nbl->na_cj + j;
3423                         aj    = nbs->a[ind_j];
3424                         if (aj >= 0 &&
3425                             (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
3426                             (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
3427                         {
3428                             if (ngid > 1)
3429                             {
3430                                 gid_j = (gid_cj >> (j*egp_shift)) & egp_mask;
3431                                 gid   = GID(gid_i, gid_j, ngid);
3432
3433                                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri] &&
3434                                     nlist->gid[nri] != gid)
3435                                 {
3436                                     /* Energy group pair changed: new list */
3437                                     fep_list_new_nri_copy(nlist);
3438                                     nri = nlist->nri;
3439                                 }
3440                                 nlist->gid[nri] = gid;
3441                             }
3442
3443                             if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
3444                             {
3445                                 fep_list_new_nri_copy(nlist);
3446                                 nri = nlist->nri;
3447                             }
3448
3449                             /* Add it to the FEP list */
3450                             nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
3451                             nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (nbl->cj[cj_ind].excl >> (i*nbl->na_cj + j)) & 1;
3452                             nlist->nrj++;
3453
3454                             /* Exclude it from the normal list.
3455                              * Note that the charge has been set to zero,
3456                              * but we need to avoid 0/0, as perturbed atoms
3457                              * can be on top of each other.
3458                              */
3459                             nbl->cj[cj_ind].excl &= ~(1U << (i*nbl->na_cj + j));
3460                         }
3461                     }
3462                 }
3463             }
3464
3465             if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3466             {
3467                 /* Actually add this new, non-empty, list */
3468                 nlist->nri++;
3469                 nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3470             }
3471         }
3472     }
3473
3474     if (bFEP_i_all)
3475     {
3476         /* All interactions are perturbed, we can skip this entry */
3477         nbl_ci->cj_ind_end = cj_ind_start;
3478     }
3479 }
3480
3481 /* Return the index of atom a within a cluster */
3482 static gmx_inline int cj_mod_cj4(int cj)
3483 {
3484     return cj & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1);
3485 }
3486
3487 /* Convert a j-cluster to a cj4 group */
3488 static gmx_inline int cj_to_cj4(int cj)
3489 {
3490     return cj >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG;
3491 }
3492
3493 /* Return the index of an j-atom within a warp */
3494 static gmx_inline int a_mod_wj(int a)
3495 {
3496     return a & (NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/2 - 1);
3497 }
3498
3499 /* As make_fep_list above, but for super/sub lists. */
3500 static void make_fep_list_supersub(const nbnxn_search_t    nbs,
3501                                    const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3502                                    nbnxn_pairlist_t       *nbl,
3503                                    gmx_bool                bDiagRemoved,
3504                                    const nbnxn_sci_t      *nbl_sci,
3505                                    real                    shx,
3506                                    real                    shy,
3507                                    real                    shz,
3508                                    real                    rlist_fep2,
3509                                    const nbnxn_grid_t     *gridi,
3510                                    const nbnxn_grid_t     *gridj,
3511                                    t_nblist               *nlist)
3512 {
3513     int                sci, cj4_ind_start, cj4_ind_end, cj4_ind, gcj, cjr;
3514     int                nri_max;
3515     int                c, c_abs;
3516     int                i, j, ind_i, ind_j, ai, aj;
3517     int                nri;
3518     gmx_bool           bFEP_i;
3519     real               xi, yi, zi;
3520     const nbnxn_cj4_t *cj4;
3521
3522     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3523     {
3524         /* Empty list */
3525         return;
3526     }
3527
3528     sci = nbl_sci->sci;
3529
3530     cj4_ind_start = nbl_sci->cj4_ind_start;
3531     cj4_ind_end   = nbl_sci->cj4_ind_end;
3532
3533     /* Here we process one super-cell, max #atoms na_sc, versus a list
3534      * cj4 entries, each with max NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE cj's, each
3535      * of size na_cj atoms.
3536      * On the GPU we don't support energy groups (yet).
3537      * So for each of the na_sc i-atoms, we need max one FEP list
3538      * for each max_nrj_fep j-atoms.
3539      */
3540     nri_max = nbl->na_sc*nbl->na_cj*(1 + ((cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE)/max_nrj_fep);
3541     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
3542     {
3543         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
3544         reallocate_nblist(nlist);
3545     }
3546
3547     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
3548     for (c = 0; c < GPU_NSUBCELL; c++)
3549     {
3550         c_abs = sci*GPU_NSUBCELL + c;
3551
3552         for (i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
3553         {
3554             ind_i = c_abs*nbl->na_ci + i;
3555             ai    = nbs->a[ind_i];
3556             if (ai >= 0)
3557             {
3558                 nri                  = nlist->nri;
3559                 nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
3560                 nlist->iinr[nri]     = ai;
3561                 /* With GPUs, energy groups are not supported */
3562                 nlist->gid[nri]      = 0;
3563                 nlist->shift[nri]    = nbl_sci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
3564
3565                 bFEP_i = (gridi->fep[c_abs - gridi->cell0*GPU_NSUBCELL] & (1 << i));
3566
3567                 xi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+XX] + shx;
3568                 yi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+YY] + shy;
3569                 zi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+ZZ] + shz;
3570
3571                 if ((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
3572                 {
3573                     nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj);
3574                     srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
3575                     srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
3576                 }
3577
3578                 for (cj4_ind = cj4_ind_start; cj4_ind < cj4_ind_end; cj4_ind++)
3579                 {
3580                     cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
3581
3582                     for (gcj = 0; gcj < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; gcj++)
3583                     {
3584                         unsigned int fep_cj;
3585
3586                         if ((cj4->imei[0].imask & (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c))) == 0)
3587                         {
3588                             /* Skip this ci for this cj */
3589                             continue;
3590                         }
3591
3592                         cjr = cj4->cj[gcj] - gridj->cell0*GPU_NSUBCELL;
3593
3594                         fep_cj = gridj->fep[cjr];
3595
3596                         if (bFEP_i || fep_cj != 0)
3597                         {
3598                             for (j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
3599                             {
3600                                 /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
3601                                 ind_j = (gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cjr)*nbl->na_cj + j;
3602                                 aj    = nbs->a[ind_j];
3603                                 if (aj >= 0 &&
3604                                     (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
3605                                     (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
3606                                 {
3607                                     nbnxn_excl_t *excl;
3608                                     int           excl_pair;
3609                                     unsigned int  excl_bit;
3610                                     real          dx, dy, dz;
3611
3612                                     get_nbl_exclusions_1(nbl, cj4_ind, j>>2, &excl);
3613
3614                                     excl_pair = a_mod_wj(j)*nbl->na_ci + i;
3615                                     excl_bit  = (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c));
3616
3617                                     dx = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+XX] - xi;
3618                                     dy = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+YY] - yi;
3619                                     dz = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+ZZ] - zi;
3620
3621                                     /* The unpruned GPU list has more than 2/3
3622                                      * of the atom pairs beyond rlist. Using
3623                                      * this list will cause a lot of overhead
3624                                      * in the CPU FEP kernels, especially
3625                                      * relative to the fast GPU kernels.
3626                                      * So we prune the FEP list here.
3627                                      */
3628                                     if (dx*dx + dy*dy + dz*dz < rlist_fep2)
3629                                     {
3630                                         if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
3631                                         {
3632                                             fep_list_new_nri_copy(nlist);
3633                                             nri = nlist->nri;
3634                                         }
3635
3636                                         /* Add it to the FEP list */
3637                                         nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
3638                                         nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (excl->pair[excl_pair] & excl_bit) ? 1 : 0;
3639                                         nlist->nrj++;
3640                                     }
3641
3642                                     /* Exclude it from the normal list.
3643                                      * Note that the charge and LJ parameters have
3644                                      * been set to zero, but we need to avoid 0/0,
3645                                      * as perturbed atoms can be on top of each other.
3646                                      */
3647                                     excl->pair[excl_pair] &= ~excl_bit;
3648                                 }
3649                             }
3650
3651                             /* Note that we could mask out this pair in imask
3652                              * if all i- and/or all j-particles are perturbed.
3653                              * But since the perturbed pairs on the CPU will
3654                              * take an order of magnitude more time, the GPU
3655                              * will finish before the CPU and there is no gain.
3656                              */
3657                         }
3658                     }
3659                 }
3660
3661                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3662                 {
3663                     /* Actually add this new, non-empty, list */
3664                     nlist->nri++;
3665                     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3666                 }
3667             }
3668         }
3669     }
3670 }
3671
3672 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3673  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3674  */
3675 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3676                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3677                               gmx_bool             diagRemoved,
3678                               int                  na_c_2log,
3679                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
3680                               const t_blocka      *excl)
3681 {
3682     const int    *cell;
3683     int           na_c;
3684     int           sci;
3685     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3686     int           cj_first, cj_last;
3687     int           ndirect;
3688     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3689     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3690     int           cj_m;
3691     gmx_bool      Found_si;
3692     int           si_ind;
3693     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3694     int           inner_i, inner_e, w;
3695
3696     cell = nbs->cell;
3697
3698     na_c = nbl->na_ci;
3699
3700     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3701     {
3702         /* Empty list */
3703         return;
3704     }
3705
3706     sci = nbl_sci->sci;
3707
3708     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3709     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3710
3711     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3712     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
3713
3714     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3715      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3716      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3717      */
3718     ndirect = 0;
3719     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3720            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3721     {
3722         ndirect++;
3723     }
3724
3725     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3726     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3727     {
3728         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3729         if (ai >= 0)
3730         {
3731             si  = (i>>na_c_2log);
3732
3733             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3734             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3735             {
3736                 aj = excl->a[eind];
3737
3738                 if (aj == ai)
3739                 {
3740                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3741                     continue;
3742                 }
3743
3744                 ge = cell[aj];
3745
3746                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3747                  * for one-way pair-lists.
3748                  */
3749                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3750                 {
3751                     continue;
3752                 }
3753
3754                 se = ge>>na_c_2log;
3755                 /* Could the cluster se be in our list? */
3756                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3757                 {
3758                     if (se < cj_first + ndirect)
3759                     {
3760                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3761                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3762                     }
3763                     else
3764                     {
3765                         /* Search for se using bisection */
3766                         found    = -1;
3767                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3768                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3769                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3770                         {
3771                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3772
3773                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
3774
3775                             if (se == cj_m)
3776                             {
3777                                 found = cj_ind_m;
3778                             }
3779                             else if (se < cj_m)
3780                             {
3781                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3782                             }
3783                             else
3784                             {
3785                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3786                             }
3787                         }
3788                     }
3789
3790                     if (found >= 0)
3791                     {
3792                         inner_i = i  - si*na_c;
3793                         inner_e = ge - se*na_c;
3794
3795                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3796                         {
3797                             w       = (inner_e >> 2);
3798
3799                             get_nbl_exclusions_1(nbl, cj_to_cj4(found), w, &nbl_excl);
3800
3801                             nbl_excl->pair[a_mod_wj(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3802                                 ~(1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3803                         }
3804                     }
3805                 }
3806             }
3807         }
3808     }
3809 }
3810
3811 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3812 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3813 {
3814     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3815     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3816                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3817                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3818                        nbl->alloc, nbl->free);
3819 }
3820
3821 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3822 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3823 {
3824     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3825     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3826                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3827                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3828                        nbl->alloc, nbl->free);
3829 }
3830
3831 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3832 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags)
3833 {
3834     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3835     {
3836         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
3837     }
3838     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3839     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3840     /* Store the interaction flags along with the shift */
3841     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3842     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3843     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3844 }
3845
3846 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3847 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift)
3848 {
3849     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3850     {
3851         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3852     }
3853     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3854     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3855     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3856     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3857 }
3858
3859 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3860  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3861  */
3862 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
3863                          nbnxn_list_work_t *work)
3864 {
3865     int jnew, j;
3866
3867     if (ncj > work->cj_nalloc)
3868     {
3869         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3870         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
3871     }
3872
3873     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3874     jnew = 0;
3875     for (j = 0; j < ncj; j++)
3876     {
3877         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3878         {
3879             work->cj[jnew++] = cj[j];
3880         }
3881     }
3882     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3883     if (!((jnew == 0) ||
3884           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
3885     {
3886         for (j = 0; j < ncj; j++)
3887         {
3888             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3889             {
3890                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3891             }
3892         }
3893         for (j = 0; j < ncj; j++)
3894         {
3895             cj[j] = work->cj[j];
3896         }
3897     }
3898 }
3899
3900 /* Close this simple list i entry */
3901 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3902 {
3903     int jlen;
3904
3905     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3906      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3907      */
3908     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3909     if (jlen > 0)
3910     {
3911         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
3912
3913         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
3914          * and should therefore match the available kernel setups.
3915          */
3916         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3917         {
3918             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3919         }
3920         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
3921                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
3922         {
3923             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3924         }
3925
3926         nbl->nci++;
3927     }
3928 }
3929
3930 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3931  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
3932  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
3933  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
3934  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3935  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3936  * both on nthread and our own thread index.
3937  */
3938 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3939                             int nsp_max_av, gmx_bool progBal, int nc_bal,
3940                             int thread, int nthread)
3941 {
3942     int nsci_est;
3943     int nsp_max;
3944     int cj4_start, cj4_end, j4len, cj4;
3945     int sci;
3946     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
3947     int p;
3948
3949     if (progBal)
3950     {
3951         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3952          * over all threads using the target number of ci's.
3953          */
3954         nsci_est = nc_bal*thread/nthread + nbl->nsci;
3955
3956         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3957          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3958          */
3959         nsp_max = max(1,
3960                       nsp_max_av*nc_bal*3/(2*(nsci_est - 1 + nc_bal)));
3961     }
3962     else
3963     {
3964         nsp_max = nsp_max_av;
3965     }
3966
3967     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3968     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3969     j4len     = cj4_end - cj4_start;
3970
3971     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3972     {
3973         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
3974         nbl->nsci -= 1;
3975
3976         sci        = nbl->nsci;
3977         nsp        = 0;
3978         nsp_sci    = 0;
3979         nsp_cj4_e  = 0;
3980         nsp_cj4    = 0;
3981         for (cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
3982         {
3983             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
3984             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
3985             nsp_cj4   = 0;
3986             for (p = 0; p < GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
3987             {
3988                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
3989             }
3990
3991             if (nsp_cj4 > 0 && nsp + nsp_cj4 > nsp_max)
3992             {
3993                 /* Split the list at cj4 */
3994                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
3995                 /* Create a new sci entry */
3996                 sci++;
3997                 nbl->nsci++;
3998                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
3999                 {
4000                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
4001                 }
4002                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
4003                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
4004                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
4005                 nsp_sci                     = nsp;
4006                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
4007                 nsp                         = 0;
4008             }
4009             nsp += nsp_cj4;
4010         }
4011
4012         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
4013         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
4014
4015         /* Possibly balance out the last two sci's
4016          * by moving the last cj4 of the second last sci.
4017          */
4018         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
4019         {
4020             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
4021             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
4022         }
4023
4024         nbl->nsci++;
4025     }
4026 }
4027
4028 /* Clost this super/sub list i entry */
4029 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
4030                                     int nsp_max_av,
4031                                     gmx_bool progBal, int nc_bal,
4032                                     int thread, int nthread)
4033 {
4034     int j4len, tlen;
4035     int nb, b;
4036
4037     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
4038      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
4039      */
4040     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
4041     if (j4len > 0)
4042     {
4043         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
4044          * so round the count up before closing.
4045          */
4046         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
4047         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4048
4049         nbl->nsci++;
4050
4051         if (nsp_max_av > 0)
4052         {
4053             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
4054             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nc_bal, thread, nthread);
4055         }
4056     }
4057 }
4058
4059 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
4060 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4061 {
4062     if (!nbl->bSimple)
4063     {
4064         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4065         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
4066     }
4067 }
4068
4069 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
4070 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4071 {
4072     nbl->nci           = 0;
4073     nbl->nsci          = 0;
4074     nbl->ncj           = 0;
4075     nbl->ncj4          = 0;
4076     nbl->nci_tot       = 0;
4077     nbl->nexcl         = 1;
4078
4079     nbl->work->ncj_noq = 0;
4080     nbl->work->ncj_hlj = 0;
4081 }
4082
4083 /* Clears a group scheme pair list */
4084 static void clear_pairlist_fep(t_nblist *nl)
4085 {
4086     nl->nri = 0;
4087     nl->nrj = 0;
4088     if (nl->jindex == NULL)
4089     {
4090         snew(nl->jindex, 1);
4091     }
4092     nl->jindex[0] = 0;
4093 }
4094
4095 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
4096 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4097                                            real shx, real shy, real shz,
4098                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
4099 {
4100     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
4101     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
4102     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
4103     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
4104     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
4105     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
4106 }
4107
4108 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4109 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4110 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
4111                                       real shx, real shy, real shz,
4112                                       float *bb_ci)
4113 {
4114     int ia, m, i;
4115
4116     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
4117     for (m = 0; m < (GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
4118     {
4119         for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
4120         {
4121             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
4122             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
4123             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
4124             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
4125             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
4126             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
4127         }
4128     }
4129 }
4130 #endif
4131
4132 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4133 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4134                                   real shx, real shy, real shz,
4135                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
4136 {
4137     int i;
4138
4139     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL; i++)
4140     {
4141         set_icell_bb_simple(bb, ci*GPU_NSUBCELL+i,
4142                             shx, shy, shz,
4143                             &bb_ci[i]);
4144     }
4145 }
4146
4147 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4148 static void icell_set_x_simple(int ci,
4149                                real shx, real shy, real shz,
4150                                int gmx_unused na_c,
4151                                int stride, const real *x,
4152                                nbnxn_list_work_t *work)
4153 {
4154     int  ia, i;
4155
4156     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4157
4158     for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
4159     {
4160         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
4161         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
4162         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
4163     }
4164 }
4165
4166 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4167 static void icell_set_x_supersub(int ci,
4168                                  real shx, real shy, real shz,
4169                                  int na_c,
4170                                  int stride, const real *x,
4171                                  nbnxn_list_work_t *work)
4172 {
4173     int   ia, i;
4174     real *x_ci;
4175
4176     x_ci = work->x_ci;
4177
4178     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
4179     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
4180     {
4181         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
4182         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
4183         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
4184     }
4185 }
4186
4187 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
4188 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
4189 static void icell_set_x_supersub_simd4(int ci,
4190                                        real shx, real shy, real shz,
4191                                        int na_c,
4192                                        int stride, const real *x,
4193                                        nbnxn_list_work_t *work)
4194 {
4195     int   si, io, ia, i, j;
4196     real *x_ci;
4197
4198     x_ci = work->x_ci;
4199
4200     for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4201     {
4202         for (i = 0; i < na_c; i += STRIDE_PBB)
4203         {
4204             io = si*na_c + i;
4205             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
4206             for (j = 0; j < STRIDE_PBB; j++)
4207             {
4208                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
4209                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
4210                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
4211             }
4212         }
4213     }
4214 }
4215 #endif
4216
4217 static real minimum_subgrid_size_xy(const nbnxn_grid_t *grid)
4218 {
4219     if (grid->bSimple)
4220     {
4221         return min(grid->sx, grid->sy);
4222     }
4223     else
4224     {
4225         return min(grid->sx/GPU_NSUBCELL_X, grid->sy/GPU_NSUBCELL_Y);
4226     }
4227 }
4228
4229 static real effective_buffer_1x1_vs_MxN(const nbnxn_grid_t *gridi,
4230                                         const nbnxn_grid_t *gridj)
4231 {
4232     const real eff_1x1_buffer_fac_overest = 0.1;
4233
4234     /* Determine an atom-pair list cut-off buffer size for atom pairs,
4235      * to be added to rlist (including buffer) used for MxN.
4236      * This is for converting an MxN list to a 1x1 list. This means we can't
4237      * use the normal buffer estimate, as we have an MxN list in which
4238      * some atom pairs beyond rlist are missing. We want to capture
4239      * the beneficial effect of buffering by extra pairs just outside rlist,
4240      * while removing the useless pairs that are further away from rlist.
4241      * (Also the buffer could have been set manually not using the estimate.)
4242      * This buffer size is an overestimate.
4243      * We add 10% of the smallest grid sub-cell dimensions.
4244      * Note that the z-size differs per cell and we don't use this,
4245      * so we overestimate.
4246      * With PME, the 10% value gives a buffer that is somewhat larger
4247      * than the effective buffer with a tolerance of 0.005 kJ/mol/ps.
4248      * Smaller tolerances or using RF lead to a smaller effective buffer,
4249      * so 10% gives a safe overestimate.
4250      */
4251     return eff_1x1_buffer_fac_overest*(minimum_subgrid_size_xy(gridi) +
4252                                        minimum_subgrid_size_xy(gridj));
4253 }
4254
4255 /* Clusters at the cut-off only increase rlist by 60% of their size */
4256 static real nbnxn_rlist_inc_outside_fac = 0.6;
4257
4258 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
4259  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
4260  */
4261 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size_j, real atom_density)
4262 {
4263     int  cluster_size_i;
4264     real vol_inc_i, vol_inc_j;
4265
4266     /* We should get this from the setup, but currently it's the same for
4267      * all setups, including GPUs.
4268      */
4269     cluster_size_i = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4270
4271     vol_inc_i = (cluster_size_i - 1)/atom_density;
4272     vol_inc_j = (cluster_size_j - 1)/atom_density;
4273
4274     return nbnxn_rlist_inc_outside_fac*pow(vol_inc_i + vol_inc_j, 1.0/3.0);
4275 }
4276
4277 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
4278 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
4279 {
4280     int  z, d;
4281     real cl, ca, za;
4282     real vold_est;
4283     real vol2_est_tot;
4284
4285     vol2_est_tot = 0;
4286
4287     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
4288      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
4289      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
4290      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
4291      * as small parts as possible.
4292      */
4293
4294     for (z = 0; z < zones->n; z++)
4295     {
4296         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
4297         {
4298             cl = 0;
4299             ca = 1;
4300             za = 1;
4301             for (d = 0; d < DIM; d++)
4302             {
4303                 if (zones->shift[z][d] == 0)
4304                 {
4305                     cl += 0.5*ls[d];
4306                     ca *= ls[d];
4307                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
4308                 }
4309             }
4310
4311             /* 4 octants of a sphere */
4312             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
4313             /* 4 quarter pie slices on the edges */
4314             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
4315             /* One rectangular volume on a face */
4316             vold_est += ca*0.5*r*r;
4317
4318             vol2_est_tot += vold_est*za;
4319         }
4320     }
4321
4322     return vol2_est_tot;
4323 }
4324
4325 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
4326 static int get_nsubpair_max(const nbnxn_search_t nbs,
4327                             int                  iloc,
4328                             real                 rlist,
4329                             int                  min_ci_balanced)
4330 {
4331     const nbnxn_grid_t *grid;
4332     rvec                ls;
4333     real                xy_diag2, r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
4334     int                 nsubpair_max;
4335
4336     grid = &nbs->grid[0];
4337
4338     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
4339     {
4340         /* We don't need to worry */
4341         return -1;
4342     }
4343
4344     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
4345     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
4346     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
4347
4348     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
4349     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
4350
4351     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
4352     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_outside_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
4353
4354     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
4355     {
4356         nsp_est_nl = 0;
4357     }
4358     else
4359     {
4360         nsp_est_nl =
4361             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
4362             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
4363     }
4364
4365     if (LOCAL_I(iloc))
4366     {
4367         /* Sub-cell interacts with itself */
4368         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
4369         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
4370         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
4371         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
4372         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
4373         /* 4 octants of a sphere */
4374         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup, 3);
4375
4376         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
4377
4378         /* Subtract the non-local pair count */
4379         nsp_est -= nsp_est_nl;
4380
4381         if (debug)
4382         {
4383             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
4384                     nsp_est, nsp_est_nl);
4385         }
4386     }
4387     else
4388     {
4389         nsp_est = nsp_est_nl;
4390     }
4391
4392     /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows */
4393     nsubpair_max = max(1, (int)(nsp_est/min_ci_balanced+0.5));
4394
4395     /* Since the target value is a maximum (this avoids high outliers,
4396      * which lead to load imbalance), not average, we add half the
4397      * number of pairs in a cj4 block to get the average about right.
4398      */
4399     nsubpair_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE/2;
4400
4401     if (debug)
4402     {
4403         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_max %d\n",
4404                 nsp_est, nsubpair_max);
4405     }
4406
4407     return nsubpair_max;
4408 }
4409
4410 /* Debug list print function */
4411 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4412 {
4413     int i, j;
4414
4415     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
4416     {
4417         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
4418                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
4419                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
4420
4421         for (j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
4422         {
4423             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
4424                     nbl->cj[j].cj,
4425                     nbl->cj[j].excl);
4426         }
4427     }
4428 }
4429
4430 /* Debug list print function */
4431 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4432 {
4433     int i, j4, j, ncp, si;
4434
4435     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
4436     {
4437         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
4438                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4439                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
4440
4441         ncp = 0;
4442         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
4443         {
4444             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
4445             {
4446                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
4447                         nbl->cj4[j4].cj[j],
4448                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
4449                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4450                 {
4451                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
4452                     {
4453                         ncp++;
4454                     }
4455                 }
4456             }
4457         }
4458         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
4459                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4460                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
4461                 ncp);
4462     }
4463 }
4464
4465 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
4466 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
4467                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
4468 {
4469     int nsci, ncj4, nexcl;
4470     int n, i;
4471     int nthreads gmx_unused;
4472
4473     if (nblc->bSimple)
4474     {
4475         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
4476     }
4477
4478     nsci  = nblc->nsci;
4479     ncj4  = nblc->ncj4;
4480     nexcl = nblc->nexcl;
4481     for (i = 0; i < nnbl; i++)
4482     {
4483         nsci  += nbl[i]->nsci;
4484         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
4485         nexcl += nbl[i]->nexcl;
4486     }
4487
4488     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
4489     {
4490         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
4491     }
4492     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
4493     {
4494         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
4495         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
4496                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
4497                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
4498                            nblc->alloc, nblc->free);
4499     }
4500     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
4501     {
4502         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
4503         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
4504                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
4505                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
4506                            nblc->alloc, nblc->free);
4507     }
4508
4509     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
4510      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
4511      */
4512     nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
4513 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
4514     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4515     {
4516         int                     sci_offset;
4517         int                     cj4_offset;
4518         int                     ci_offset;
4519         int                     excl_offset;
4520         int                     i, j4;
4521         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
4522
4523         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
4524         sci_offset  = nblc->nsci;
4525         cj4_offset  = nblc->ncj4;
4526         ci_offset   = nblc->nci_tot;
4527         excl_offset = nblc->nexcl;
4528
4529         for (i = 0; i < n; i++)
4530         {
4531             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
4532             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
4533             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
4534             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
4535         }
4536
4537         nbli = nbl[n];
4538
4539         for (i = 0; i < nbli->nsci; i++)
4540         {
4541             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
4542             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
4543             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
4544         }
4545
4546         for (j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
4547         {
4548             nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
4549             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
4550             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
4551         }
4552
4553         for (j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
4554         {
4555             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4556         }
4557     }
4558
4559     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4560     {
4561         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4562         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4563         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4564         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4565     }
4566 }
4567
4568 static void balance_fep_lists(const nbnxn_search_t  nbs,
4569                               nbnxn_pairlist_set_t *nbl_lists)
4570 {
4571     int       nnbl, th;
4572     int       nri_tot, nrj_tot, nrj_target;
4573     int       th_dest;
4574     t_nblist *nbld;
4575
4576     nnbl = nbl_lists->nnbl;
4577
4578     if (nnbl == 1)
4579     {
4580         /* Nothing to balance */
4581         return;
4582     }
4583
4584     /* Count the total i-lists and pairs */
4585     nri_tot = 0;
4586     nrj_tot = 0;
4587     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4588     {
4589         nri_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nri;
4590         nrj_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj;
4591     }
4592
4593     nrj_target = (nrj_tot + nnbl - 1)/nnbl;
4594
4595     assert(gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) == nnbl);
4596
4597 #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(nnbl)
4598     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4599     {
4600         t_nblist *nbl;
4601
4602         nbl = nbs->work[th].nbl_fep;
4603
4604         /* Note that here we allocate for the total size, instead of
4605          * a per-thread esimate (which is hard to obtain).
4606          */
4607         if (nri_tot > nbl->maxnri)
4608         {
4609             nbl->maxnri = over_alloc_large(nri_tot);
4610             reallocate_nblist(nbl);
4611         }
4612         if (nri_tot > nbl->maxnri || nrj_tot > nbl->maxnrj)
4613         {
4614             nbl->maxnrj = over_alloc_small(nrj_tot);
4615             srenew(nbl->jjnr, nbl->maxnrj);
4616             srenew(nbl->excl_fep, nbl->maxnrj);
4617         }
4618
4619         clear_pairlist_fep(nbl);
4620     }
4621
4622     /* Loop over the source lists and assign and copy i-entries */
4623     th_dest = 0;
4624     nbld    = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4625     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4626     {
4627         t_nblist *nbls;
4628         int       i, j;
4629
4630         nbls = nbl_lists->nbl_fep[th];
4631
4632         for (i = 0; i < nbls->nri; i++)
4633         {
4634             int nrj;
4635
4636             /* The number of pairs in this i-entry */
4637             nrj = nbls->jindex[i+1] - nbls->jindex[i];
4638
4639             /* Decide if list th_dest is too large and we should procede
4640              * to the next destination list.
4641              */
4642             if (th_dest+1 < nnbl && nbld->nrj > 0 &&
4643                 nbld->nrj + nrj - nrj_target > nrj_target - nbld->nrj)
4644             {
4645                 th_dest++;
4646                 nbld = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4647             }
4648
4649             nbld->iinr[nbld->nri]  = nbls->iinr[i];
4650             nbld->gid[nbld->nri]   = nbls->gid[i];
4651             nbld->shift[nbld->nri] = nbls->shift[i];
4652
4653             for (j = nbls->jindex[i]; j < nbls->jindex[i+1]; j++)
4654             {
4655                 nbld->jjnr[nbld->nrj]     = nbls->jjnr[j];
4656                 nbld->excl_fep[nbld->nrj] = nbls->excl_fep[j];
4657                 nbld->nrj++;
4658             }
4659             nbld->nri++;
4660             nbld->jindex[nbld->nri] = nbld->nrj;
4661         }
4662     }
4663
4664     /* Swap the list pointers */
4665     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4666     {
4667         t_nblist *nbl_tmp;
4668
4669         nbl_tmp                = nbl_lists->nbl_fep[th];
4670         nbl_lists->nbl_fep[th] = nbs->work[th].nbl_fep;
4671         nbs->work[th].nbl_fep  = nbl_tmp;
4672
4673         if (debug)
4674         {
4675             fprintf(debug, "nbl_fep[%d] nri %4d nrj %4d\n",
4676                     th,
4677                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nri,
4678                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj);
4679         }
4680     }
4681 }
4682
4683 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4684 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4685                         int conv,
4686                         int nth, int ci_block,
4687                         int *ci_x, int *ci_y,
4688                         int *ci_b, int *ci)
4689 {
4690     (*ci_b)++;
4691     (*ci)++;
4692
4693     if (*ci_b == ci_block)
4694     {
4695         /* Jump to the next block assigned to this task */
4696         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4697         *ci_b  = 0;
4698     }
4699
4700     if (*ci >= grid->nc*conv)
4701     {
4702         return FALSE;
4703     }
4704
4705     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4706     {
4707         *ci_y += 1;
4708         if (*ci_y == grid->ncy)
4709         {
4710             *ci_x += 1;
4711             *ci_y  = 0;
4712         }
4713     }
4714
4715     return TRUE;
4716 }
4717
4718 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4719  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4720  */
4721 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4722                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4723                                         real                rlist,
4724                                         gmx_bool            simple)
4725 {
4726     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4727      * than this distance, do not check the distance between
4728      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4729      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4730      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4731      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4732      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4733      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4734      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4735      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4736      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4737      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4738      */
4739     real bbx, bby;
4740     real rbb2;
4741
4742     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4743     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4744     if (!simple)
4745     {
4746         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4747         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4748     }
4749
4750     rbb2 = sqr(max(0, rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4751
4752 #ifndef GMX_DOUBLE
4753     return rbb2;
4754 #else
4755     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4756 #endif
4757 }
4758
4759 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
4760                              gmx_bool bDomDec, int nth)
4761 {
4762     const int ci_block_enum      = 5;
4763     const int ci_block_denom     = 11;
4764     const int ci_block_min_atoms = 16;
4765     int       ci_block;
4766
4767     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4768      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4769      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4770      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4771      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4772      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4773      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4774      * of the grid parts of the different thread along all three grid
4775      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4776      * the blocks will not become too small.
4777      */
4778     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
4779
4780     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4781     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
4782     {
4783         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4784     }
4785
4786     /* Without domain decomposition
4787      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4788      */
4789     if (!bDomDec || ci_block*3*nth > gridi->nc)
4790     {
4791         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4792     }
4793
4794     return ci_block;
4795 }
4796
4797 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4798 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4799                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4800                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4801                                      nbnxn_search_work_t *work,
4802                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4803                                      const t_blocka *excl,
4804                                      real rlist,
4805                                      int nb_kernel_type,
4806                                      int ci_block,
4807                                      gmx_bool bFBufferFlag,
4808                                      int nsubpair_max,
4809                                      gmx_bool progBal,
4810                                      int min_ci_balanced,
4811                                      int th, int nth,
4812                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
4813                                      t_nblist *nbl_fep)
4814 {
4815     int               na_cj_2log;
4816     matrix            box;
4817     real              rl2, rl_fep2 = 0;
4818     float             rbb2;
4819     int               d;
4820     int               ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
4821     ivec              shp;
4822     int               tx, ty, tz;
4823     int               shift;
4824     gmx_bool          bMakeList;
4825     real              shx, shy, shz;
4826     int               conv_i, cell0_i;
4827     const nbnxn_bb_t *bb_i = NULL;
4828 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4829     const float      *pbb_i = NULL;
4830 #endif
4831     const float      *bbcz_i, *bbcz_j;
4832     const int        *flags_i;
4833     real              bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
4834     real              bz1_frac;
4835     real              d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
4836     int               cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
4837     int               cx, cy;
4838     int               c0, c1, cs, cf, cl;
4839     int               ndistc;
4840     int               ncpcheck;
4841     int               gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
4842     gmx_bitmask_t    *gridj_flag       = NULL;
4843     int               ncj_old_i, ncj_old_j;
4844
4845     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4846
4847     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4848     {
4849         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4850     }
4851
4852     sync_work(nbl);
4853     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4854     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4855     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4856     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4857
4858     nbl->rlist  = rlist;
4859
4860     if (bFBufferFlag)
4861     {
4862         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
4863         gridi_flag_shift = 0;
4864         while ((nbl->na_ci<<gridi_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4865         {
4866             gridi_flag_shift++;
4867         }
4868         gridj_flag_shift = 0;
4869         while ((nbl->na_cj<<gridj_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4870         {
4871             gridj_flag_shift++;
4872         }
4873
4874         gridj_flag = work->buffer_flags.flag;
4875     }
4876
4877     copy_mat(nbs->box, box);
4878
4879     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4880
4881     if (nbs->bFEP && !nbl->bSimple)
4882     {
4883         /* Determine an atom-pair list cut-off distance for FEP atom pairs.
4884          * We should not simply use rlist, since then we would not have
4885          * the small, effective buffering of the NxN lists.
4886          * The buffer is on overestimate, but the resulting cost for pairs
4887          * beyond rlist is neglible compared to the FEP pairs within rlist.
4888          */
4889         rl_fep2 = nbl->rlist + effective_buffer_1x1_vs_MxN(gridi, gridj);
4890
4891         if (debug)
4892         {
4893             fprintf(debug, "nbl_fep atom-pair rlist %f\n", rl_fep2);
4894         }
4895         rl_fep2 = rl_fep2*rl_fep2;
4896     }
4897
4898     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
4899
4900     if (debug)
4901     {
4902         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", sqrt(rbb2));
4903     }
4904
4905     /* Set the shift range */
4906     for (d = 0; d < DIM; d++)
4907     {
4908         /* Check if we need periodicity shifts.
4909          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4910          */
4911         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4912         {
4913             shp[d] = 0;
4914         }
4915         else
4916         {
4917             if (d == XX &&
4918                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4919             {
4920                 shp[d] = 2;
4921             }
4922             else
4923             {
4924                 shp[d] = 1;
4925             }
4926         }
4927     }
4928
4929     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4930     {
4931         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4932         bb_i    = gridi->bb_simple;
4933         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4934         flags_i = gridi->flags_simple;
4935     }
4936     else
4937     {
4938         conv_i  = 1;
4939 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4940         if (gridi->bSimple)
4941         {
4942             bb_i  = gridi->bb;
4943         }
4944         else
4945         {
4946             pbb_i = gridi->pbb;
4947         }
4948 #else
4949         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
4950         bb_i  = gridi->bb;
4951 #endif
4952         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4953         flags_i = gridi->flags;
4954     }
4955     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
4956
4957     bbcz_j = gridj->bbcz;
4958
4959     if (conv_i != 1)
4960     {
4961         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
4962          * combined with a small block size. This should result in good
4963          * load balancing for both small and large domains.
4964          */
4965         ci_block = conv_i - 1;
4966     }
4967     if (debug)
4968     {
4969         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
4970                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
4971     }
4972
4973     ndistc   = 0;
4974     ncpcheck = 0;
4975
4976     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
4977      * as they will both be incremented in next_ci.
4978      */
4979     ci_b = -1;
4980     ci   = th*ci_block - 1;
4981     ci_x = 0;
4982     ci_y = 0;
4983     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
4984     {
4985         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
4986         {
4987             continue;
4988         }
4989
4990         ncj_old_i = nbl->ncj;
4991
4992         d2cx = 0;
4993         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
4994         {
4995             if (nbl->bSimple)
4996             {
4997                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
4998             }
4999             else
5000             {
5001                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
5002             }
5003             if (bx1 < gridj->c0[XX])
5004             {
5005                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
5006
5007                 if (d2cx >= rl2)
5008                 {
5009                     continue;
5010                 }
5011             }
5012         }
5013
5014         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
5015
5016         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
5017         for (tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
5018         {
5019             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
5020
5021             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
5022             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
5023
5024             if (tz == 0)
5025             {
5026                 d2z = 0;
5027             }
5028             else if (tz < 0)
5029             {
5030                 d2z = sqr(bz1);
5031             }
5032             else
5033             {
5034                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
5035             }
5036
5037             d2z_cx = d2z + d2cx;
5038
5039             if (d2z_cx >= rl2)
5040             {
5041                 continue;
5042             }
5043
5044             bz1_frac =
5045                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
5046             if (bz1_frac < 0)
5047             {
5048                 bz1_frac = 0;
5049             }
5050             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
5051
5052             for (ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
5053             {
5054                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
5055
5056                 if (nbl->bSimple)
5057                 {
5058                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
5059                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
5060                 }
5061                 else
5062                 {
5063                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
5064                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
5065                 }
5066
5067                 get_cell_range(by0, by1,
5068                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
5069                                d2z_cx, rl2,
5070                                &cyf, &cyl);
5071
5072                 if (cyf > cyl)
5073                 {
5074                     continue;
5075                 }
5076
5077                 d2z_cy = d2z;
5078                 if (by1 < gridj->c0[YY])
5079                 {
5080                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
5081                 }
5082                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
5083                 {
5084                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
5085                 }
5086
5087                 for (tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
5088                 {
5089                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
5090
5091 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5092                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
5093                     {
5094                         continue;
5095                     }
5096 #endif
5097
5098                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
5099
5100                     if (nbl->bSimple)
5101                     {
5102                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
5103                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
5104                     }
5105                     else
5106                     {
5107                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
5108                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
5109                     }
5110
5111                     get_cell_range(bx0, bx1,
5112                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
5113                                    d2z_cy, rl2,
5114                                    &cxf, &cxl);
5115
5116                     if (cxf > cxl)
5117                     {
5118                         continue;
5119                     }
5120
5121                     if (nbl->bSimple)
5122                     {
5123                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci]);
5124                     }
5125                     else
5126                     {
5127                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift);
5128                     }
5129
5130 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5131                     if (cxf < ci_x)
5132 #else
5133                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
5134                         cxf < ci_x)
5135 #endif
5136                     {
5137                         /* Leave the pairs with i > j.
5138                          * x is the major index, so skip half of it.
5139                          */
5140                         cxf = ci_x;
5141                     }
5142
5143                     if (nbl->bSimple)
5144                     {
5145                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5146                                             nbl->work->bb_ci);
5147                     }
5148                     else
5149                     {
5150 #ifdef NBNXN_BBXXXX
5151                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
5152                                                   nbl->work->pbb_ci);
5153 #else
5154                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5155                                               nbl->work->bb_ci);
5156 #endif
5157                     }
5158
5159                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
5160                                      gridi->na_c, nbat->xstride, nbat->x,
5161                                      nbl->work);
5162
5163                     for (cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
5164                     {
5165                         d2zx = d2z;
5166                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
5167                         {
5168                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
5169                         }
5170                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
5171                         {
5172                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
5173                         }
5174
5175 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5176                         if (gridi == gridj &&
5177                             cx == 0 && cyf < ci_y)
5178 #else
5179                         if (gridi == gridj &&
5180                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
5181 #endif
5182                         {
5183                             /* Leave the pairs with i > j.
5184                              * Skip half of y when i and j have the same x.
5185                              */
5186                             cyf_x = ci_y;
5187                         }
5188                         else
5189                         {
5190                             cyf_x = cyf;
5191                         }
5192
5193                         for (cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
5194                         {
5195                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
5196                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
5197 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5198                             if (gridi == gridj &&
5199                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
5200                             {
5201                                 c0 = ci;
5202                             }
5203 #endif
5204
5205                             d2zxy = d2zx;
5206                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
5207                             {
5208                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
5209                             }
5210                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
5211                             {
5212                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
5213                             }
5214                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
5215                             {
5216                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
5217                                 if (cs >= c1)
5218                                 {
5219                                     cs = c1 - 1;
5220                                 }
5221
5222                                 d2xy = d2zxy - d2z;
5223
5224                                 /* Find the lowest cell that can possibly
5225                                  * be within range.
5226                                  */
5227                                 cf = cs;
5228                                 while (cf > c0 &&
5229                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
5230                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
5231                                 {
5232                                     cf--;
5233                                 }
5234
5235                                 /* Find the highest cell that can possibly
5236                                  * be within range.
5237                                  */
5238                                 cl = cs;
5239                                 while (cl < c1-1 &&
5240                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
5241                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
5242                                 {
5243                                     cl++;
5244                                 }
5245
5246 #ifdef NBNXN_REFCODE
5247                                 {
5248                                     /* Simple reference code, for debugging,
5249                                      * overrides the more complex code above.
5250                                      */
5251                                     int k;
5252                                     cf = c1;
5253                                     cl = -1;
5254                                     for (k = c0; k < c1; k++)
5255                                     {
5256                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5257                                             k < cf)
5258                                         {
5259                                             cf = k;
5260                                         }
5261                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5262                                             k > cl)
5263                                         {
5264                                             cl = k;
5265                                         }
5266                                     }
5267                                 }
5268 #endif
5269
5270                                 if (gridi == gridj)
5271                                 {
5272                                     /* We want each atom/cell pair only once,
5273                                      * only use cj >= ci.
5274                                      */
5275 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5276                                     cf = max(cf, ci);
5277 #else
5278                                     if (shift == CENTRAL)
5279                                     {
5280                                         cf = max(cf, ci);
5281                                     }
5282 #endif
5283                                 }
5284
5285                                 if (cf <= cl)
5286                                 {
5287                                     /* For f buffer flags with simple lists */
5288                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
5289
5290                                     switch (nb_kernel_type)
5291                                     {
5292                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
5293                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
5294
5295                                             make_cluster_list_simple(gridj,
5296                                                                      nbl, ci, cf, cl,
5297                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5298                                                                      nbat->x,
5299                                                                      rl2, rbb2,
5300                                                                      &ndistc);
5301                                             break;
5302 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5303                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5304                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5305                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
5306                                                                        nbl, ci, cf, cl,
5307                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5308                                                                        nbat->x,
5309                                                                        rl2, rbb2,
5310                                                                        &ndistc);
5311                                             break;
5312 #endif
5313 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5314                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5315                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5316                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
5317                                                                         nbl, ci, cf, cl,
5318                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5319                                                                         nbat->x,
5320                                                                         rl2, rbb2,
5321                                                                         &ndistc);
5322                                             break;
5323 #endif
5324                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
5325                                         case nbnxnk8x8x8_CUDA:
5326                                             check_subcell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
5327                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
5328                                             {
5329                                                 make_cluster_list_supersub(gridi, gridj,
5330                                                                            nbl, ci, cj,
5331                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
5332                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
5333                                                                            rl2, rbb2,
5334                                                                            &ndistc);
5335                                             }
5336                                             break;
5337                                     }
5338                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
5339
5340                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
5341                                     {
5342                                         int cbf, cbl, cb;
5343
5344                                         cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
5345                                         cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
5346                                         for (cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
5347                                         {
5348                                             bitmask_init_bit(&gridj_flag[cb], th);
5349                                         }
5350                                     }
5351                                 }
5352                             }
5353                         }
5354                     }
5355
5356                     /* Set the exclusions for this ci list */
5357                     if (nbl->bSimple)
5358                     {
5359                         set_ci_top_excls(nbs,
5360                                          nbl,
5361                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5362                                          gridj->na_c_2log,
5363                                          na_cj_2log,
5364                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
5365                                          excl);
5366
5367                         if (nbs->bFEP)
5368                         {
5369                             make_fep_list(nbs, nbat, nbl,
5370                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5371                                           &(nbl->ci[nbl->nci]),
5372                                           gridi, gridj, nbl_fep);
5373                         }
5374                     }
5375                     else
5376                     {
5377                         set_sci_top_excls(nbs,
5378                                           nbl,
5379                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5380                                           gridj->na_c_2log,
5381                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5382                                           excl);
5383
5384                         if (nbs->bFEP)
5385                         {
5386                             make_fep_list_supersub(nbs, nbat, nbl,
5387                                                    shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5388                                                    &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5389                                                    shx, shy, shz,
5390                                                    rl_fep2,
5391                                                    gridi, gridj, nbl_fep);
5392                         }
5393                     }
5394
5395                     /* Close this ci list */
5396                     if (nbl->bSimple)
5397                     {
5398                         close_ci_entry_simple(nbl);
5399                     }
5400                     else
5401                     {
5402                         close_ci_entry_supersub(nbl,
5403                                                 nsubpair_max,
5404                                                 progBal, min_ci_balanced,
5405                                                 th, nth);
5406                     }
5407                 }
5408             }
5409         }
5410
5411         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
5412         {
5413             bitmask_init_bit(&(work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift]), th);
5414         }
5415     }
5416
5417     work->ndistc = ndistc;
5418
5419     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
5420
5421     if (debug)
5422     {
5423         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
5424         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
5425                 ncpcheck);
5426
5427         if (nbl->bSimple)
5428         {
5429             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
5430         }
5431         else
5432         {
5433             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
5434         }
5435
5436         if (nbs->bFEP)
5437         {
5438             fprintf(debug, "nbl FEP list pairs: %d\n", nbl_fep->nrj);
5439         }
5440     }
5441 }
5442
5443 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
5444                                 int                         nsrc,
5445                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
5446 {
5447     int            s, b;
5448     gmx_bitmask_t *flag;
5449
5450     for (s = 0; s < nsrc; s++)
5451     {
5452         flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
5453
5454         for (b = 0; b < dest->nflag; b++)
5455         {
5456             bitmask_union(&(dest->flag[b]), flag[b]);
5457         }
5458     }
5459 }
5460
5461 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
5462 {
5463     int           nelem, nkeep, ncopy, nred, b, c, out;
5464     gmx_bitmask_t mask_0;
5465
5466     nelem = 0;
5467     nkeep = 0;
5468     ncopy = 0;
5469     nred  = 0;
5470     bitmask_init_bit(&mask_0, 0);
5471     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
5472     {
5473         if (bitmask_is_equal(flags->flag[b], mask_0))
5474         {
5475             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
5476             nelem++;
5477             nkeep++;
5478         }
5479         else if (!bitmask_is_zero(flags->flag[b]))
5480         {
5481             c = 0;
5482             for (out = 0; out < nout; out++)
5483             {
5484                 if (bitmask_is_set(flags->flag[b], out))
5485                 {
5486                     c++;
5487                 }
5488             }
5489             nelem += c;
5490             if (c == 1)
5491             {
5492                 ncopy++;
5493             }
5494             else
5495             {
5496                 nred += c;
5497             }
5498         }
5499     }
5500
5501     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
5502             flags->nflag, nout,
5503             nelem/(double)(flags->nflag),
5504             nkeep/(double)(flags->nflag),
5505             ncopy/(double)(flags->nflag),
5506             nred/(double)(flags->nflag));
5507 }
5508
5509 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
5510  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
5511  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
5512  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
5513  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
5514  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
5515  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
5516  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
5517  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
5518  */
5519 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
5520 {
5521     nbnxn_list_work_t *work;
5522     int                m, i, s, s0, s1;
5523     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
5524
5525     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
5526     {
5527         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
5528         return;
5529     }
5530
5531     work = nbl->work;
5532
5533     /* We will distinguish differences up to double the average */
5534     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
5535
5536     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
5537     {
5538         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
5539         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
5540     }
5541
5542     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
5543     {
5544         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
5545         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
5546                            0,
5547                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
5548                            nbl->alloc, nbl->free);
5549     }
5550
5551     /* Count the entries of each size */
5552     for (i = 0; i <= m; i++)
5553     {
5554         work->sort[i] = 0;
5555     }
5556     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5557     {
5558         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5559         work->sort[i]++;
5560     }
5561     /* Calculate the offset for each count */
5562     s0            = work->sort[m];
5563     work->sort[m] = 0;
5564     for (i = m - 1; i >= 0; i--)
5565     {
5566         s1            = work->sort[i];
5567         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
5568         s0            = s1;
5569     }
5570
5571     /* Sort entries directly into place */
5572     sci_sort = work->sci_sort;
5573     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5574     {
5575         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5576         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
5577     }
5578
5579     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
5580     work->sci_sort = nbl->sci;
5581     nbl->sci       = sci_sort;
5582 }
5583
5584 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
5585 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
5586                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
5587                          const t_blocka       *excl,
5588                          real                  rlist,
5589                          int                   min_ci_balanced,
5590                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
5591                          int                   iloc,
5592                          int                   nb_kernel_type,
5593                          t_nrnb               *nrnb)
5594 {
5595     nbnxn_grid_t      *gridi, *gridj;
5596     gmx_bool           bGPUCPU;
5597     int                nzi, zi, zj0, zj1, zj;
5598     int                nsubpair_max;
5599     int                th;
5600     int                nnbl;
5601     nbnxn_pairlist_t **nbl;
5602     int                ci_block;
5603     gmx_bool           CombineNBLists;
5604     gmx_bool           progBal;
5605     int                np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
5606
5607     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
5608     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
5609
5610     nnbl            = nbl_list->nnbl;
5611     nbl             = nbl_list->nbl;
5612     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
5613
5614     if (debug)
5615     {
5616         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
5617     }
5618
5619     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
5620     /* We should re-init the flags before making the first list */
5621     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
5622     {
5623         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
5624     }
5625
5626     if (nbl_list->bSimple)
5627     {
5628         switch (nb_kernel_type)
5629         {
5630 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5631             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5632                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
5633                 break;
5634 #endif
5635 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5636             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5637                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
5638                 break;
5639 #endif
5640             default:
5641                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
5642                 break;
5643         }
5644     }
5645     else
5646     {
5647 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
5648         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_simd4;
5649 #else
5650         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
5651 #endif
5652     }
5653
5654     if (LOCAL_I(iloc))
5655     {
5656         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
5657         nzi = 1;
5658         zj0 = 0;
5659         zj1 = 1;
5660     }
5661     else
5662     {
5663         nzi = nbs->zones->nizone;
5664     }
5665
5666     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
5667     {
5668         nsubpair_max = get_nsubpair_max(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced);
5669     }
5670     else
5671     {
5672         nsubpair_max = 0;
5673     }
5674
5675     /* Clear all pair-lists */
5676     for (th = 0; th < nnbl; th++)
5677     {
5678         clear_pairlist(nbl[th]);
5679
5680         if (nbs->bFEP)
5681         {
5682             clear_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[th]);
5683         }
5684     }
5685
5686     for (zi = 0; zi < nzi; zi++)
5687     {
5688         gridi = &nbs->grid[zi];
5689
5690         if (NONLOCAL_I(iloc))
5691         {
5692             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
5693             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
5694             if (zi == 0)
5695             {
5696                 zj0++;
5697             }
5698         }
5699         for (zj = zj0; zj < zj1; zj++)
5700         {
5701             gridj = &nbs->grid[zj];
5702
5703             if (debug)
5704             {
5705                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
5706             }
5707
5708             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5709
5710             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
5711             {
5712                 /* Hybrid list, determine blocking later */
5713                 ci_block = 0;
5714             }
5715             else
5716             {
5717                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
5718             }
5719
5720             /* With GPU: generate progressively smaller lists for
5721              * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
5722              */
5723             progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
5724
5725 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5726             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5727             {
5728                 /* Re-init the thread-local work flag data before making
5729                  * the first list (not an elegant conditional).
5730                  */
5731                 if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
5732                                               (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
5733                 {
5734                     init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
5735                 }
5736
5737                 if (CombineNBLists && th > 0)
5738                 {
5739                     clear_pairlist(nbl[th]);
5740                 }
5741
5742                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5743                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
5744                                          &nbs->work[th], nbat, excl,
5745                                          rlist,
5746                                          nb_kernel_type,
5747                                          ci_block,
5748                                          nbat->bUseBufferFlags,
5749                                          nsubpair_max,
5750                                          progBal, min_ci_balanced,
5751                                          th, nnbl,
5752                                          nbl[th],
5753                                          nbl_list->nbl_fep[th]);
5754             }
5755             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5756
5757             np_tot = 0;
5758             np_noq = 0;
5759             np_hlj = 0;
5760             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5761             {
5762                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
5763
5764                 if (nbl_list->bSimple)
5765                 {
5766                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5767                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5768                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5769                 }
5770                 else
5771                 {
5772                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5773                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5774                 }
5775             }
5776             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5777             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5778             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5779             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5780
5781             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5782             {
5783                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5784
5785                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
5786
5787                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5788             }
5789         }
5790     }
5791
5792     if (!nbl_list->bSimple)
5793     {
5794         /* Sort the entries on size, large ones first */
5795         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
5796         {
5797             sort_sci(nbl[0]);
5798         }
5799         else
5800         {
5801 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5802             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5803             {
5804                 sort_sci(nbl[th]);
5805             }
5806         }
5807     }
5808
5809     if (nbat->bUseBufferFlags)
5810     {
5811         reduce_buffer_flags(nbs, nnbl, &nbat->buffer_flags);
5812     }
5813
5814     if (nbs->bFEP)
5815     {
5816         /* Balance the free-energy lists over all the threads */
5817         balance_fep_lists(nbs, nbl_list);
5818     }
5819
5820     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5821     if (LOCAL_I(iloc))
5822     {
5823         nbs->search_count++;
5824     }
5825     if (nbs->print_cycles &&
5826         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5827         nbs->search_count % 100 == 0)
5828     {
5829         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
5830     }
5831
5832     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5833     {
5834         if (nbl[0]->bSimple)
5835         {
5836             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5837         }
5838         else
5839         {
5840             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5841         }
5842     }
5843
5844     if (debug)
5845     {
5846         if (gmx_debug_at)
5847         {
5848             if (nbl[0]->bSimple)
5849             {
5850                 print_nblist_ci_cj(debug, nbl[0]);
5851             }
5852             else
5853             {
5854                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl[0]);
5855             }
5856         }
5857
5858         if (nbat->bUseBufferFlags)
5859         {
5860             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nnbl);
5861         }
5862     }
5863 }