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/mdlib/nbnxn_internal.h"
  55 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_simd.h"
  56 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  57 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  58 #include "gromacs/simd/simd.h"
  59 #include "gromacs/simd/vector_operations.h"
  60 #include "gromacs/utility/smalloc.h"
  61
  62 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
  63 /* Always use 4-wide SIMD for bounding box calculations */
  64
  65 #    ifndef GMX_DOUBLE
  66 /* Single precision BBs + coordinates, we can also load coordinates with SIMD */
  67 #        define NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
  68 #    endif
  69
  70 #    if defined NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB && (GPU_NSUBCELL == 4 || GPU_NSUBCELL == 8)
  71 /* Store bounding boxes with x, y and z coordinates in packs of 4 */
  72 #        define NBNXN_PBB_SIMD4
  73 #    endif
  74
  75 /* The packed bounding box coordinate stride is always set to 4.
  76  * With AVX we could use 8, but that turns out not to be faster.
  77  */
  78 #    define STRIDE_PBB        4
  79 #    define STRIDE_PBB_2LOG   2
  80
  81 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
  82
  83 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
  84
  85 /* The functions below are macros as they are performance sensitive */
  86
  87 /* 4x4 list, pack=4: no complex conversion required */
  88 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  89 #define CI_TO_CJ_J4(ci)   (ci)
  90 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  91 #define X_IND_CI_J4(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  92 #define X_IND_CJ_J4(cj)  ((cj)*STRIDE_P4)
  93
  94 /* 4x2 list, pack=4: j-cluster size is half the packing width */
  95 /* i-cluster to j-cluster conversion */
  96 #define CI_TO_CJ_J2(ci)  ((ci)<<1)
  97 /* cluster index to coordinate array index conversion */
  98 #define X_IND_CI_J2(ci)  ((ci)*STRIDE_P4)
  99 #define X_IND_CJ_J2(cj)  (((cj)>>1)*STRIDE_P4 + ((cj) & 1)*(PACK_X4>>1))
 100
 101 /* 4x8 list, pack=8: i-cluster size is half the packing width */
 102 /* i-cluster to j-cluster conversion */
 103 #define CI_TO_CJ_J8(ci)  ((ci)>>1)
 104 /* cluster index to coordinate array index conversion */
 105 #define X_IND_CI_J8(ci)  (((ci)>>1)*STRIDE_P8 + ((ci) & 1)*(PACK_X8>>1))
 106 #define X_IND_CJ_J8(cj)  ((cj)*STRIDE_P8)
 107
 108 /* The j-cluster size is matched to the SIMD width */
 109 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
 110 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J2(ci)
 111 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J2(ci)
 112 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J2(cj)
 113 #else
 114 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
 115 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J4(ci)
 116 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J4(ci)
 117 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J4(cj)
 118 #else
 119 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
 120 #define CI_TO_CJ_SIMD_4XN(ci)  CI_TO_CJ_J8(ci)
 121 #define X_IND_CI_SIMD_4XN(ci)  X_IND_CI_J8(ci)
 122 #define X_IND_CJ_SIMD_4XN(cj)  X_IND_CJ_J8(cj)
 123 /* Half SIMD with j-cluster size */
 124 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J4(ci)
 125 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J4(ci)
 126 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J4(cj)
 127 #else
 128 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
 129 #define CI_TO_CJ_SIMD_2XNN(ci) CI_TO_CJ_J8(ci)
 130 #define X_IND_CI_SIMD_2XNN(ci) X_IND_CI_J8(ci)
 131 #define X_IND_CJ_SIMD_2XNN(cj) X_IND_CJ_J8(cj)
 132 #else
 133 #error "unsupported GMX_SIMD_REAL_WIDTH"
 134 #endif
 135 #endif
 136 #endif
 137 #endif
 138
 139 #endif /* GMX_NBNXN_SIMD */
 140
 141
 142 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 143 /* Store bounding boxes corners as quadruplets: xxxxyyyyzzzz */
 144 #define NBNXN_BBXXXX
 145 /* Size of bounding box corners quadruplet */
 146 #define NNBSBB_XXXX      (NNBSBB_D*DIM*STRIDE_PBB)
 147 #endif
 148
 149 /* We shift the i-particles backward for PBC.
 150  * This leads to more conditionals than shifting forward.
 151  * We do this to get more balanced pair lists.
 152  */
 153 #define NBNXN_SHIFT_BACKWARD
 154
 155
 156 /* This define is a lazy way to avoid interdependence of the grid
 157  * and searching data structures.
 158  */
 159 #define NBNXN_NA_SC_MAX (GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE)
 160
 161
 162 static void nbs_cycle_clear(nbnxn_cycle_t *cc)
 163 {
 164     int i;
 165
 166     for (i = 0; i < enbsCCnr; i++)
 167     {
 168         cc[i].count = 0;
 169         cc[i].c     = 0;
 170     }
 171 }
 172
 173 static double Mcyc_av(const nbnxn_cycle_t *cc)
 174 {
 175     return (double)cc->c*1e-6/cc->count;
 176 }
 177
 178 static void nbs_cycle_print(FILE *fp, const nbnxn_search_t nbs)
 179 {
 180     int n;
 181     int t;
 182
 183     fprintf(fp, "\n");
 184     fprintf(fp, "ns %4d grid %4.1f search %4.1f red.f %5.3f",
 185             nbs->cc[enbsCCgrid].count,
 186             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCgrid]),
 187             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCsearch]),
 188             Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCreducef]));
 189
 190     if (nbs->nthread_max > 1)
 191     {
 192         if (nbs->cc[enbsCCcombine].count > 0)
 193         {
 194             fprintf(fp, " comb %5.2f",
 195                     Mcyc_av(&nbs->cc[enbsCCcombine]));
 196         }
 197         fprintf(fp, " s. th");
 198         for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 199         {
 200             fprintf(fp, " %4.1f",
 201                     Mcyc_av(&nbs->work[t].cc[enbsCCsearch]));
 202         }
 203     }
 204     fprintf(fp, "\n");
 205 }
 206
 207 static void nbnxn_grid_init(nbnxn_grid_t * grid)
 208 {
 209     grid->cxy_na      = NULL;
 210     grid->cxy_ind     = NULL;
 211     grid->cxy_nalloc  = 0;
 212     grid->bb          = NULL;
 213     grid->bbj         = NULL;
 214     grid->nc_nalloc   = 0;
 215 }
 216
 217 static int get_2log(int n)
 218 {
 219     int log2;
 220
 221     log2 = 0;
 222     while ((1<<log2) < n)
 223     {
 224         log2++;
 225     }
 226     if ((1<<log2) != n)
 227     {
 228         gmx_fatal(FARGS, "nbnxn na_c (%d) is not a power of 2", n);
 229     }
 230
 231     return log2;
 232 }
 233
 234 int nbnxn_kernel_to_ci_size(int nb_kernel_type)
 235 {
 236     switch (nb_kernel_type)
 237     {
 238         case nbnxnk4x4_PlainC:
 239         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 240         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 241             return NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 242         case nbnxnk8x8x8_GPU:
 243         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 244             /* The cluster size for super/sub lists is only set here.
 245              * Any value should work for the pair-search and atomdata code.
 246              * The kernels, of course, might require a particular value.
 247              */
 248             return NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE;
 249         default:
 250             gmx_incons("unknown kernel type");
 251     }
 252
 253     return 0;
 254 }
 255
 256 int nbnxn_kernel_to_cj_size(int nb_kernel_type)
 257 {
 258     int nbnxn_simd_width = 0;
 259     int cj_size          = 0;
 260
 261 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
 262     nbnxn_simd_width = GMX_SIMD_REAL_WIDTH;
 263 #endif
 264
 265     switch (nb_kernel_type)
 266     {
 267         case nbnxnk4x4_PlainC:
 268             cj_size = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
 269             break;
 270         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 271             cj_size = nbnxn_simd_width;
 272             break;
 273         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 274             cj_size = nbnxn_simd_width/2;
 275             break;
 276         case nbnxnk8x8x8_GPU:
 277         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 278             cj_size = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
 279             break;
 280         default:
 281             gmx_incons("unknown kernel type");
 282     }
 283
 284     return cj_size;
 285 }
 286
 287 static int ci_to_cj(int na_cj_2log, int ci)
 288 {
 289     switch (na_cj_2log)
 290     {
 291         case 2: return ci;     break;
 292         case 1: return (ci<<1); break;
 293         case 3: return (ci>>1); break;
 294     }
 295
 296     return 0;
 297 }
 298
 299 gmx_bool nbnxn_kernel_pairlist_simple(int nb_kernel_type)
 300 {
 301     if (nb_kernel_type == nbnxnkNotSet)
 302     {
 303         gmx_fatal(FARGS, "Non-bonded kernel type not set for Verlet-style pair-list.");
 304     }
 305
 306     switch (nb_kernel_type)
 307     {
 308         case nbnxnk8x8x8_GPU:
 309         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
 310             return FALSE;
 311
 312         case nbnxnk4x4_PlainC:
 313         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
 314         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
 315             return TRUE;
 316
 317         default:
 318             gmx_incons("Invalid nonbonded kernel type passed!");
 319             return FALSE;
 320     }
 321 }
 322
 323 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
 324 static void nbnxn_init_pairlist_fep(t_nblist *nl)
 325 {
 326     nl->type        = GMX_NBLIST_INTERACTION_FREE_ENERGY;
 327     nl->igeometry   = GMX_NBLIST_GEOMETRY_PARTICLE_PARTICLE;
 328     /* The interaction functions are set in the free energy kernel fuction */
 329     nl->ivdw        = -1;
 330     nl->ivdwmod     = -1;
 331     nl->ielec       = -1;
 332     nl->ielecmod    = -1;
 333
 334     nl->maxnri      = 0;
 335     nl->maxnrj      = 0;
 336     nl->nri         = 0;
 337     nl->nrj         = 0;
 338     nl->iinr        = NULL;
 339     nl->gid         = NULL;
 340     nl->shift       = NULL;
 341     nl->jindex      = NULL;
 342     nl->jjnr        = NULL;
 343     nl->excl_fep    = NULL;
 344
 345 }
 346
 347 void nbnxn_init_search(nbnxn_search_t    * nbs_ptr,
 348                        ivec               *n_dd_cells,
 349                        gmx_domdec_zones_t *zones,
 350                        gmx_bool            bFEP,
 351                        int                 nthread_max)
 352 {
 353     nbnxn_search_t nbs;
 354     int            d, g, t;
 355
 356     snew(nbs, 1);
 357     *nbs_ptr = nbs;
 358
 359     nbs->bFEP   = bFEP;
 360
 361     nbs->DomDec = (n_dd_cells != NULL);
 362
 363     clear_ivec(nbs->dd_dim);
 364     nbs->ngrid = 1;
 365     if (nbs->DomDec)
 366     {
 367         nbs->zones = zones;
 368
 369         for (d = 0; d < DIM; d++)
 370         {
 371             if ((*n_dd_cells)[d] > 1)
 372             {
 373                 nbs->dd_dim[d] = 1;
 374                 /* Each grid matches a DD zone */
 375                 nbs->ngrid *= 2;
 376             }
 377         }
 378     }
 379
 380     snew(nbs->grid, nbs->ngrid);
 381     for (g = 0; g < nbs->ngrid; g++)
 382     {
 383         nbnxn_grid_init(&nbs->grid[g]);
 384     }
 385     nbs->cell        = NULL;
 386     nbs->cell_nalloc = 0;
 387     nbs->a           = NULL;
 388     nbs->a_nalloc    = 0;
 389
 390     nbs->nthread_max = nthread_max;
 391
 392     /* Initialize the work data structures for each thread */
 393     snew(nbs->work, nbs->nthread_max);
 394     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 395     {
 396         nbs->work[t].cxy_na           = NULL;
 397         nbs->work[t].cxy_na_nalloc    = 0;
 398         nbs->work[t].sort_work        = NULL;
 399         nbs->work[t].sort_work_nalloc = 0;
 400
 401         snew(nbs->work[t].nbl_fep, 1);
 402         nbnxn_init_pairlist_fep(nbs->work[t].nbl_fep);
 403     }
 404
 405     /* Initialize detailed nbsearch cycle counting */
 406     nbs->print_cycles = (getenv("GMX_NBNXN_CYCLE") != 0);
 407     nbs->search_count = 0;
 408     nbs_cycle_clear(nbs->cc);
 409     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 410     {
 411         nbs_cycle_clear(nbs->work[t].cc);
 412     }
 413 }
 414
 415 static real grid_atom_density(int n, rvec corner0, rvec corner1)
 416 {
 417     rvec size;
 418
 419     if (n == 0)
 420     {
 421         /* To avoid zero density we use a minimum of 1 atom */
 422         n = 1;
 423     }
 424
 425     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 426
 427     return n/(size[XX]*size[YY]*size[ZZ]);
 428 }
 429
 430 static int set_grid_size_xy(const nbnxn_search_t nbs,
 431                             nbnxn_grid_t *grid,
 432                             int dd_zone,
 433                             int n, rvec corner0, rvec corner1,
 434                             real atom_density)
 435 {
 436     rvec size;
 437     int  na_c;
 438     real adens, tlen, tlen_x, tlen_y, nc_max;
 439     int  t;
 440
 441     rvec_sub(corner1, corner0, size);
 442
 443     if (n > grid->na_sc)
 444     {
 445         assert(atom_density > 0);
 446
 447         /* target cell length */
 448         if (grid->bSimple)
 449         {
 450             /* To minimize the zero interactions, we should make
 451              * the largest of the i/j cell cubic.
 452              */
 453             na_c = max(grid->na_c, grid->na_cj);
 454
 455             /* Approximately cubic cells */
 456             tlen   = pow(na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 457             tlen_x = tlen;
 458             tlen_y = tlen;
 459         }
 460         else
 461         {
 462             /* Approximately cubic sub cells */
 463             tlen   = pow(grid->na_c/atom_density, 1.0/3.0);
 464             tlen_x = tlen*GPU_NSUBCELL_X;
 465             tlen_y = tlen*GPU_NSUBCELL_Y;
 466         }
 467         /* We round ncx and ncy down, because we get less cell pairs
 468          * in the nbsist when the fixed cell dimensions (x,y) are
 469          * larger than the variable one (z) than the other way around.
 470          */
 471         grid->ncx = max(1, (int)(size[XX]/tlen_x));
 472         grid->ncy = max(1, (int)(size[YY]/tlen_y));
 473     }
 474     else
 475     {
 476         grid->ncx = 1;
 477         grid->ncy = 1;
 478     }
 479
 480     grid->sx     = size[XX]/grid->ncx;
 481     grid->sy     = size[YY]/grid->ncy;
 482     grid->inv_sx = 1/grid->sx;
 483     grid->inv_sy = 1/grid->sy;
 484
 485     if (dd_zone > 0)
 486     {
 487         /* This is a non-home zone, add an extra row of cells
 488          * for particles communicated for bonded interactions.
 489          * These can be beyond the cut-off. It doesn't matter where
 490          * they end up on the grid, but for performance it's better
 491          * if they don't end up in cells that can be within cut-off range.
 492          */
 493         grid->ncx++;
 494         grid->ncy++;
 495     }
 496
 497     /* We need one additional cell entry for particles moved by DD */
 498     if (grid->ncx*grid->ncy+1 > grid->cxy_nalloc)
 499     {
 500         grid->cxy_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 501         srenew(grid->cxy_na, grid->cxy_nalloc);
 502         srenew(grid->cxy_ind, grid->cxy_nalloc+1);
 503     }
 504     for (t = 0; t < nbs->nthread_max; t++)
 505     {
 506         if (grid->ncx*grid->ncy+1 > nbs->work[t].cxy_na_nalloc)
 507         {
 508             nbs->work[t].cxy_na_nalloc = over_alloc_large(grid->ncx*grid->ncy+1);
 509             srenew(nbs->work[t].cxy_na, nbs->work[t].cxy_na_nalloc);
 510         }
 511     }
 512
 513     /* Worst case scenario of 1 atom in each last cell */
 514     if (grid->na_cj <= grid->na_c)
 515     {
 516         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy;
 517     }
 518     else
 519     {
 520         nc_max = n/grid->na_sc + grid->ncx*grid->ncy*grid->na_cj/grid->na_c;
 521     }
 522
 523     if (nc_max > grid->nc_nalloc)
 524     {
 525         grid->nc_nalloc = over_alloc_large(nc_max);
 526         srenew(grid->nsubc, grid->nc_nalloc);
 527         srenew(grid->bbcz, grid->nc_nalloc*NNBSBB_D);
 528
 529         sfree_aligned(grid->bb);
 530         /* This snew also zeros the contents, this avoid possible
 531          * floating exceptions in SIMD with the unused bb elements.
 532          */
 533         if (grid->bSimple)
 534         {
 535             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc, 16);
 536         }
 537         else
 538         {
 539 #ifdef NBNXN_BBXXXX
 540             int pbb_nalloc;
 541
 542             pbb_nalloc = grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX;
 543             snew_aligned(grid->pbb, pbb_nalloc, 16);
 544 #else
 545             snew_aligned(grid->bb, grid->nc_nalloc*GPU_NSUBCELL, 16);
 546 #endif
 547         }
 548
 549         if (grid->bSimple)
 550         {
 551             if (grid->na_cj == grid->na_c)
 552             {
 553                 grid->bbj = grid->bb;
 554             }
 555             else
 556             {
 557                 sfree_aligned(grid->bbj);
 558                 snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc*grid->na_c/grid->na_cj, 16);
 559             }
 560         }
 561
 562         srenew(grid->flags, grid->nc_nalloc);
 563         if (nbs->bFEP)
 564         {
 565             srenew(grid->fep, grid->nc_nalloc*grid->na_sc/grid->na_c);
 566         }
 567     }
 568
 569     copy_rvec(corner0, grid->c0);
 570     copy_rvec(corner1, grid->c1);
 571     copy_rvec(size,    grid->size);
 572
 573     return nc_max;
 574 }
 575
 576 /* We need to sort paricles in grid columns on z-coordinate.
 577  * As particle are very often distributed homogeneously, we a sorting
 578  * algorithm similar to pigeonhole sort. We multiply the z-coordinate
 579  * by a factor, cast to an int and try to store in that hole. If the hole
 580  * is full, we move this or another particle. A second pass is needed to make
 581  * contiguous elements. SORT_GRID_OVERSIZE is the ratio of holes to particles.
 582  * 4 is the optimal value for homogeneous particle distribution and allows
 583  * for an O(#particles) sort up till distributions were all particles are
 584  * concentrated in 1/4 of the space. No NlogN fallback is implemented,
 585  * as it can be expensive to detect imhomogeneous particle distributions.
 586  * SGSF is the maximum ratio of holes used, in the worst case all particles
 587  * end up in the last hole and we need #particles extra holes at the end.
 588  */
 589 #define SORT_GRID_OVERSIZE 4
 590 #define SGSF (SORT_GRID_OVERSIZE + 1)
 591
 592 /* Sort particle index a on coordinates x along dim.
 593  * Backwards tells if we want decreasing iso increasing coordinates.
 594  * h0 is the minimum of the coordinate range.
 595  * invh is the 1/length of the sorting range.
 596  * n_per_h (>=n) is the expected average number of particles per 1/invh
 597  * sort is the sorting work array.
 598  * sort should have a size of at least n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n,
 599  * or easier, allocate at least n*SGSF elements.
 600  */
 601 static void sort_atoms(int dim, gmx_bool Backwards,
 602                        int gmx_unused dd_zone,
 603                        int *a, int n, rvec *x,
 604                        real h0, real invh, int n_per_h,
 605                        int *sort)
 606 {
 607     int nsort, i, c;
 608     int zi, zim, zi_min, zi_max;
 609     int cp, tmp;
 610
 611     if (n <= 1)
 612     {
 613         /* Nothing to do */
 614         return;
 615     }
 616
 617 #ifndef NDEBUG
 618     if (n > n_per_h)
 619     {
 620         gmx_incons("n > n_per_h");
 621     }
 622 #endif
 623
 624     /* Transform the inverse range height into the inverse hole height */
 625     invh *= n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 626
 627     /* Set nsort to the maximum possible number of holes used.
 628      * In worst case all n elements end up in the last bin.
 629      */
 630     nsort = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE + n;
 631
 632     /* Determine the index range used, so we can limit it for the second pass */
 633     zi_min = INT_MAX;
 634     zi_max = -1;
 635
 636     /* Sort the particles using a simple index sort */
 637     for (i = 0; i < n; i++)
 638     {
 639         /* The cast takes care of float-point rounding effects below zero.
 640          * This code assumes particles are less than 1/SORT_GRID_OVERSIZE
 641          * times the box height out of the box.
 642          */
 643         zi = (int)((x[a[i]][dim] - h0)*invh);
 644
 645 #ifndef NDEBUG
 646         /* As we can have rounding effect, we use > iso >= here */
 647         if (zi < 0 || (dd_zone == 0 && zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE))
 648         {
 649             gmx_fatal(FARGS, "(int)((x[%d][%c]=%f - %f)*%f) = %d, not in 0 - %d*%d\n",
 650                       a[i], 'x'+dim, x[a[i]][dim], h0, invh, zi,
 651                       n_per_h, SORT_GRID_OVERSIZE);
 652         }
 653 #endif
 654
 655         /* In a non-local domain, particles communcated for bonded interactions
 656          * can be far beyond the grid size, which is set by the non-bonded
 657          * cut-off distance. We sort such particles into the last cell.
 658          */
 659         if (zi > n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE)
 660         {
 661             zi = n_per_h*SORT_GRID_OVERSIZE;
 662         }
 663
 664         /* Ideally this particle should go in sort cell zi,
 665          * but that might already be in use,
 666          * in that case find the first empty cell higher up
 667          */
 668         if (sort[zi] < 0)
 669         {
 670             sort[zi] = a[i];
 671             zi_min   = min(zi_min, zi);
 672             zi_max   = max(zi_max, zi);
 673         }
 674         else
 675         {
 676             /* We have multiple atoms in the same sorting slot.
 677              * Sort on real z for minimal bounding box size.
 678              * There is an extra check for identical z to ensure
 679              * well-defined output order, independent of input order
 680              * to ensure binary reproducibility after restarts.
 681              */
 682             while (sort[zi] >= 0 && ( x[a[i]][dim] >  x[sort[zi]][dim] ||
 683                                       (x[a[i]][dim] == x[sort[zi]][dim] &&
 684                                        a[i] > sort[zi])))
 685             {
 686                 zi++;
 687             }
 688
 689             if (sort[zi] >= 0)
 690             {
 691                 /* Shift all elements by one slot until we find an empty slot */
 692                 cp  = sort[zi];
 693                 zim = zi + 1;
 694                 while (sort[zim] >= 0)
 695                 {
 696                     tmp       = sort[zim];
 697                     sort[zim] = cp;
 698                     cp        = tmp;
 699                     zim++;
 700                 }
 701                 sort[zim] = cp;
 702                 zi_max    = max(zi_max, zim);
 703             }
 704             sort[zi] = a[i];
 705             zi_max   = max(zi_max, zi);
 706         }
 707     }
 708
 709     c = 0;
 710     if (!Backwards)
 711     {
 712         for (zi = 0; zi < nsort; zi++)
 713         {
 714             if (sort[zi] >= 0)
 715             {
 716                 a[c++]   = sort[zi];
 717                 sort[zi] = -1;
 718             }
 719         }
 720     }
 721     else
 722     {
 723         for (zi = zi_max; zi >= zi_min; zi--)
 724         {
 725             if (sort[zi] >= 0)
 726             {
 727                 a[c++]   = sort[zi];
 728                 sort[zi] = -1;
 729             }
 730         }
 731     }
 732     if (c < n)
 733     {
 734         gmx_incons("Lost particles while sorting");
 735     }
 736 }
 737
 738 #ifdef GMX_DOUBLE
 739 #define R2F_D(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 740 #define R2F_U(x) ((float)((x) >= 0 ? ((1+GMX_FLOAT_EPS)*(x)) : ((1-GMX_FLOAT_EPS)*(x))))
 741 #else
 742 #define R2F_D(x) (x)
 743 #define R2F_U(x) (x)
 744 #endif
 745
 746 /* Coordinate order x,y,z, bb order xyz0 */
 747 static void calc_bounding_box(int na, int stride, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 748 {
 749     int  i, j;
 750     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 751
 752     i  = 0;
 753     xl = x[i+XX];
 754     xh = x[i+XX];
 755     yl = x[i+YY];
 756     yh = x[i+YY];
 757     zl = x[i+ZZ];
 758     zh = x[i+ZZ];
 759     i += stride;
 760     for (j = 1; j < na; j++)
 761     {
 762         xl = min(xl, x[i+XX]);
 763         xh = max(xh, x[i+XX]);
 764         yl = min(yl, x[i+YY]);
 765         yh = max(yh, x[i+YY]);
 766         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 767         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 768         i += stride;
 769     }
 770     /* Note: possible double to float conversion here */
 771     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 772     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 773     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 774     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 775     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 776     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 777 }
 778
 779 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 780 static void calc_bounding_box_x_x4(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 781 {
 782     int  j;
 783     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 784
 785     xl = x[XX*PACK_X4];
 786     xh = x[XX*PACK_X4];
 787     yl = x[YY*PACK_X4];
 788     yh = x[YY*PACK_X4];
 789     zl = x[ZZ*PACK_X4];
 790     zh = x[ZZ*PACK_X4];
 791     for (j = 1; j < na; j++)
 792     {
 793         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X4]);
 794         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X4]);
 795         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X4]);
 796         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X4]);
 797         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 798         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X4]);
 799     }
 800     /* Note: possible double to float conversion here */
 801     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 802     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 803     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 804     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 805     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 806     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 807 }
 808
 809 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 810 static void calc_bounding_box_x_x8(int na, const real *x, nbnxn_bb_t *bb)
 811 {
 812     int  j;
 813     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 814
 815     xl = x[XX*PACK_X8];
 816     xh = x[XX*PACK_X8];
 817     yl = x[YY*PACK_X8];
 818     yh = x[YY*PACK_X8];
 819     zl = x[ZZ*PACK_X8];
 820     zh = x[ZZ*PACK_X8];
 821     for (j = 1; j < na; j++)
 822     {
 823         xl = min(xl, x[j+XX*PACK_X8]);
 824         xh = max(xh, x[j+XX*PACK_X8]);
 825         yl = min(yl, x[j+YY*PACK_X8]);
 826         yh = max(yh, x[j+YY*PACK_X8]);
 827         zl = min(zl, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 828         zh = max(zh, x[j+ZZ*PACK_X8]);
 829     }
 830     /* Note: possible double to float conversion here */
 831     bb->lower[BB_X] = R2F_D(xl);
 832     bb->lower[BB_Y] = R2F_D(yl);
 833     bb->lower[BB_Z] = R2F_D(zl);
 834     bb->upper[BB_X] = R2F_U(xh);
 835     bb->upper[BB_Y] = R2F_U(yh);
 836     bb->upper[BB_Z] = R2F_U(zh);
 837 }
 838
 839 /* Packed coordinates, bb order xyz0 */
 840 static void calc_bounding_box_x_x4_halves(int na, const real *x,
 841                                           nbnxn_bb_t *bb, nbnxn_bb_t *bbj)
 842 {
 843     calc_bounding_box_x_x4(min(na, 2), x, bbj);
 844
 845     if (na > 2)
 846     {
 847         calc_bounding_box_x_x4(min(na-2, 2), x+(PACK_X4>>1), bbj+1);
 848     }
 849     else
 850     {
 851         /* Set the "empty" bounding box to the same as the first one,
 852          * so we don't need to treat special cases in the rest of the code.
 853          */
 854 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 855         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].lower[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]));
 856         gmx_simd4_store_f(&bbj[1].upper[0], gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]));
 857 #else
 858         bbj[1] = bbj[0];
 859 #endif
 860     }
 861
 862 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 863     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0],
 864                       gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].lower[0]),
 865                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].lower[0])));
 866     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0],
 867                       gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bbj[0].upper[0]),
 868                                       gmx_simd4_load_f(&bbj[1].upper[0])));
 869 #else
 870     {
 871         int i;
 872
 873         for (i = 0; i < NNBSBB_C; i++)
 874         {
 875             bb->lower[i] = min(bbj[0].lower[i], bbj[1].lower[i]);
 876             bb->upper[i] = max(bbj[0].upper[i], bbj[1].upper[i]);
 877         }
 878     }
 879 #endif
 880 }
 881
 882 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 883
 884 /* Coordinate order xyz, bb order xxxxyyyyzzzz */
 885 static void calc_bounding_box_xxxx(int na, int stride, const real *x, float *bb)
 886 {
 887     int  i, j;
 888     real xl, xh, yl, yh, zl, zh;
 889
 890     i  = 0;
 891     xl = x[i+XX];
 892     xh = x[i+XX];
 893     yl = x[i+YY];
 894     yh = x[i+YY];
 895     zl = x[i+ZZ];
 896     zh = x[i+ZZ];
 897     i += stride;
 898     for (j = 1; j < na; j++)
 899     {
 900         xl = min(xl, x[i+XX]);
 901         xh = max(xh, x[i+XX]);
 902         yl = min(yl, x[i+YY]);
 903         yh = max(yh, x[i+YY]);
 904         zl = min(zl, x[i+ZZ]);
 905         zh = max(zh, x[i+ZZ]);
 906         i += stride;
 907     }
 908     /* Note: possible double to float conversion here */
 909     bb[0*STRIDE_PBB] = R2F_D(xl);
 910     bb[1*STRIDE_PBB] = R2F_D(yl);
 911     bb[2*STRIDE_PBB] = R2F_D(zl);
 912     bb[3*STRIDE_PBB] = R2F_U(xh);
 913     bb[4*STRIDE_PBB] = R2F_U(yh);
 914     bb[5*STRIDE_PBB] = R2F_U(zh);
 915 }
 916
 917 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
 918
 919 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
 920
 921 /* Coordinate order xyz?, bb order xyz0 */
 922 static void calc_bounding_box_simd4(int na, const float *x, nbnxn_bb_t *bb)
 923 {
 924     gmx_simd4_float_t bb_0_S, bb_1_S;
 925     gmx_simd4_float_t x_S;
 926
 927     int               i;
 928
 929     bb_0_S = gmx_simd4_load_f(x);
 930     bb_1_S = bb_0_S;
 931
 932     for (i = 1; i < na; i++)
 933     {
 934         x_S    = gmx_simd4_load_f(x+i*NNBSBB_C);
 935         bb_0_S = gmx_simd4_min_f(bb_0_S, x_S);
 936         bb_1_S = gmx_simd4_max_f(bb_1_S, x_S);
 937     }
 938
 939     gmx_simd4_store_f(&bb->lower[0], bb_0_S);
 940     gmx_simd4_store_f(&bb->upper[0], bb_1_S);
 941 }
 942
 943 /* Coordinate order xyz?, bb order xxxxyyyyzzzz */
 944 static void calc_bounding_box_xxxx_simd4(int na, const float *x,
 945                                          nbnxn_bb_t *bb_work_aligned,
 946                                          real *bb)
 947 {
 948     calc_bounding_box_simd4(na, x, bb_work_aligned);
 949
 950     bb[0*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_X];
 951     bb[1*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Y];
 952     bb[2*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->lower[BB_Z];
 953     bb[3*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_X];
 954     bb[4*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Y];
 955     bb[5*STRIDE_PBB] = bb_work_aligned->upper[BB_Z];
 956 }
 957
 958 #endif /* NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB */
 959
 960
 961 /* Combines pairs of consecutive bounding boxes */
 962 static void combine_bounding_box_pairs(nbnxn_grid_t *grid, const nbnxn_bb_t *bb)
 963 {
 964     int    i, j, sc2, nc2, c2;
 965
 966     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy; i++)
 967     {
 968         /* Starting bb in a column is expected to be 2-aligned */
 969         sc2 = grid->cxy_ind[i]>>1;
 970         /* For odd numbers skip the last bb here */
 971         nc2 = (grid->cxy_na[i]+3)>>(2+1);
 972         for (c2 = sc2; c2 < sc2+nc2; c2++)
 973         {
 974 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
 975             gmx_simd4_float_t min_S, max_S;
 976
 977             min_S = gmx_simd4_min_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].lower[0]),
 978                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].lower[0]));
 979             max_S = gmx_simd4_max_f(gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+0].upper[0]),
 980                                     gmx_simd4_load_f(&bb[c2*2+1].upper[0]));
 981             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].lower[0], min_S);
 982             gmx_simd4_store_f(&grid->bbj[c2].upper[0], max_S);
 983 #else
 984             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 985             {
 986                 grid->bbj[c2].lower[j] = min(bb[c2*2+0].lower[j],
 987                                              bb[c2*2+1].lower[j]);
 988                 grid->bbj[c2].upper[j] = max(bb[c2*2+0].upper[j],
 989                                              bb[c2*2+1].upper[j]);
 990             }
 991 #endif
 992         }
 993         if (((grid->cxy_na[i]+3)>>2) & 1)
 994         {
 995             /* The bb count in this column is odd: duplicate the last bb */
 996             for (j = 0; j < NNBSBB_C; j++)
 997             {
 998                 grid->bbj[c2].lower[j] = bb[c2*2].lower[j];
 999                 grid->bbj[c2].upper[j] = bb[c2*2].upper[j];
1000             }
1001         }
1002     }
1003 }
1004
1005
1006 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1007 static void print_bbsizes_simple(FILE                *fp,
1008                                  const nbnxn_grid_t  *grid)
1009 {
1010     int  c, d;
1011     dvec ba;
1012
1013     clear_dvec(ba);
1014     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1015     {
1016         for (d = 0; d < DIM; d++)
1017         {
1018             ba[d] += grid->bb[c].upper[d] - grid->bb[c].lower[d];
1019         }
1020     }
1021     dsvmul(1.0/grid->nc, ba, ba);
1022
1023     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",
1024             grid->sx,
1025             grid->sy,
1026             grid->atom_density > 0 ?
1027             grid->na_c/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy) : 0.0,
1028             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1029             ba[XX]/grid->sx,
1030             ba[YY]/grid->sy,
1031             grid->atom_density > 0 ?
1032             ba[ZZ]/(grid->na_c/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy)) : 0.0);
1033 }
1034
1035 /* Prints the average bb size, used for debug output */
1036 static void print_bbsizes_supersub(FILE                *fp,
1037                                    const nbnxn_grid_t  *grid)
1038 {
1039     int  ns, c, s;
1040     dvec ba;
1041
1042     clear_dvec(ba);
1043     ns = 0;
1044     for (c = 0; c < grid->nc; c++)
1045     {
1046 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1047         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s += STRIDE_PBB)
1048         {
1049             int cs_w, i, d;
1050
1051             cs_w = (c*GPU_NSUBCELL + s)/STRIDE_PBB;
1052             for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
1053             {
1054                 for (d = 0; d < DIM; d++)
1055                 {
1056                     ba[d] +=
1057                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+(DIM+d)*STRIDE_PBB+i] -
1058                         grid->pbb[cs_w*NNBSBB_XXXX+     d *STRIDE_PBB+i];
1059                 }
1060             }
1061         }
1062 #else
1063         for (s = 0; s < grid->nsubc[c]; s++)
1064         {
1065             int cs, d;
1066
1067             cs = c*GPU_NSUBCELL + s;
1068             for (d = 0; d < DIM; d++)
1069             {
1070                 ba[d] += grid->bb[cs].upper[d] - grid->bb[cs].lower[d];
1071             }
1072         }
1073 #endif
1074         ns += grid->nsubc[c];
1075     }
1076     dsvmul(1.0/ns, ba, ba);
1077
1078     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",
1079             grid->sx/GPU_NSUBCELL_X,
1080             grid->sy/GPU_NSUBCELL_Y,
1081             grid->atom_density > 0 ?
1082             grid->na_sc/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy*GPU_NSUBCELL_Z) : 0.0,
1083             ba[XX], ba[YY], ba[ZZ],
1084             ba[XX]*GPU_NSUBCELL_X/grid->sx,
1085             ba[YY]*GPU_NSUBCELL_Y/grid->sy,
1086             grid->atom_density > 0 ?
1087             ba[ZZ]/(grid->na_sc/(grid->atom_density*grid->sx*grid->sy*GPU_NSUBCELL_Z)) : 0.0);
1088 }
1089
1090 /* Potentially sorts atoms on LJ coefficients !=0 and ==0.
1091  * Also sets interaction flags.
1092  */
1093 void sort_on_lj(int na_c,
1094                 int a0, int a1, const int *atinfo,
1095                 int *order,
1096                 int *flags)
1097 {
1098     int      subc, s, a, n1, n2, a_lj_max, i, j;
1099     int      sort1[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1100     int      sort2[NBNXN_NA_SC_MAX/GPU_NSUBCELL];
1101     gmx_bool haveQ, bFEP;
1102
1103     *flags = 0;
1104
1105     subc = 0;
1106     for (s = a0; s < a1; s += na_c)
1107     {
1108         /* Make lists for this (sub-)cell on atoms with and without LJ */
1109         n1       = 0;
1110         n2       = 0;
1111         haveQ    = FALSE;
1112         a_lj_max = -1;
1113         for (a = s; a < min(s+na_c, a1); a++)
1114         {
1115             haveQ = haveQ || GET_CGINFO_HAS_Q(atinfo[order[a]]);
1116
1117             if (GET_CGINFO_HAS_VDW(atinfo[order[a]]))
1118             {
1119                 sort1[n1++] = order[a];
1120                 a_lj_max    = a;
1121             }
1122             else
1123             {
1124                 sort2[n2++] = order[a];
1125             }
1126         }
1127
1128         /* If we don't have atoms with LJ, there's nothing to sort */
1129         if (n1 > 0)
1130         {
1131             *flags |= NBNXN_CI_DO_LJ(subc);
1132
1133             if (2*n1 <= na_c)
1134             {
1135                 /* Only sort when strictly necessary. Ordering particles
1136                  * Ordering particles can lead to less accurate summation
1137                  * due to rounding, both for LJ and Coulomb interactions.
1138                  */
1139                 if (2*(a_lj_max - s) >= na_c)
1140                 {
1141                     for (i = 0; i < n1; i++)
1142                     {
1143                         order[a0+i] = sort1[i];
1144                     }
1145                     for (j = 0; j < n2; j++)
1146                     {
1147                         order[a0+n1+j] = sort2[j];
1148                     }
1149                 }
1150
1151                 *flags |= NBNXN_CI_HALF_LJ(subc);
1152             }
1153         }
1154         if (haveQ)
1155         {
1156             *flags |= NBNXN_CI_DO_COUL(subc);
1157         }
1158         subc++;
1159     }
1160 }
1161
1162 /* Fill a pair search cell with atoms.
1163  * Potentially sorts atoms and sets the interaction flags.
1164  */
1165 void fill_cell(const nbnxn_search_t nbs,
1166                nbnxn_grid_t *grid,
1167                nbnxn_atomdata_t *nbat,
1168                int a0, int a1,
1169                const int *atinfo,
1170                rvec *x,
1171                int sx, int sy, int sz,
1172                nbnxn_bb_t gmx_unused *bb_work_aligned)
1173 {
1174     int         na, a;
1175     size_t      offset;
1176     nbnxn_bb_t *bb_ptr;
1177 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1178     float      *pbb_ptr;
1179 #endif
1180
1181     na = a1 - a0;
1182
1183     if (grid->bSimple)
1184     {
1185         sort_on_lj(grid->na_c, a0, a1, atinfo, nbs->a,
1186                    grid->flags+(a0>>grid->na_c_2log)-grid->cell0);
1187     }
1188
1189     if (nbs->bFEP)
1190     {
1191         /* Set the fep flag for perturbed atoms in this (sub-)cell */
1192         int c, at;
1193
1194         /* The grid-local cluster/(sub-)cell index */
1195         c            = (a0 >> grid->na_c_2log) - grid->cell0*(grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL);
1196         grid->fep[c] = 0;
1197         for (at = a0; at < a1; at++)
1198         {
1199             if (nbs->a[at] >= 0 && GET_CGINFO_FEP(atinfo[nbs->a[at]]))
1200             {
1201                 grid->fep[c] |= (1 << (at - a0));
1202             }
1203         }
1204     }
1205
1206     /* Now we have sorted the atoms, set the cell indices */
1207     for (a = a0; a < a1; a++)
1208     {
1209         nbs->cell[nbs->a[a]] = a;
1210     }
1211
1212     copy_rvec_to_nbat_real(nbs->a+a0, a1-a0, grid->na_c, x,
1213                            nbat->XFormat, nbat->x, a0,
1214                            sx, sy, sz);
1215
1216     if (nbat->XFormat == nbatX4)
1217     {
1218         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1219         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1220         bb_ptr = grid->bb + offset;
1221
1222 #if defined GMX_NBNXN_SIMD && GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
1223         if (2*grid->na_cj == grid->na_c)
1224         {
1225             calc_bounding_box_x_x4_halves(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr,
1226                                           grid->bbj+offset*2);
1227         }
1228         else
1229 #endif
1230         {
1231             calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+X4_IND_A(a0), bb_ptr);
1232         }
1233     }
1234     else if (nbat->XFormat == nbatX8)
1235     {
1236         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1237         offset = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc) >> grid->na_c_2log;
1238         bb_ptr = grid->bb + offset;
1239
1240         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(a0), bb_ptr);
1241     }
1242 #ifdef NBNXN_BBXXXX
1243     else if (!grid->bSimple)
1244     {
1245         /* Store the bounding boxes in a format convenient
1246          * for SIMD4 calculations: xxxxyyyyzzzz...
1247          */
1248         pbb_ptr =
1249             grid->pbb +
1250             ((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>(grid->na_c_2log+STRIDE_PBB_2LOG))*NNBSBB_XXXX +
1251             (((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log) & (STRIDE_PBB-1));
1252
1253 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
1254         if (nbat->XFormat == nbatXYZQ)
1255         {
1256             calc_bounding_box_xxxx_simd4(na, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1257                                          bb_work_aligned, pbb_ptr);
1258         }
1259         else
1260 #endif
1261         {
1262             calc_bounding_box_xxxx(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1263                                    pbb_ptr);
1264         }
1265         if (gmx_debug_at)
1266         {
1267             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1268                     sx, sy, sz,
1269                     pbb_ptr[0*STRIDE_PBB], pbb_ptr[3*STRIDE_PBB],
1270                     pbb_ptr[1*STRIDE_PBB], pbb_ptr[4*STRIDE_PBB],
1271                     pbb_ptr[2*STRIDE_PBB], pbb_ptr[5*STRIDE_PBB]);
1272         }
1273     }
1274 #endif
1275     else
1276     {
1277         /* Store the bounding boxes as xyz.xyz. */
1278         bb_ptr = grid->bb+((a0-grid->cell0*grid->na_sc)>>grid->na_c_2log);
1279
1280         calc_bounding_box(na, nbat->xstride, nbat->x+a0*nbat->xstride,
1281                           bb_ptr);
1282
1283         if (gmx_debug_at)
1284         {
1285             int bbo;
1286             bbo = (a0 - grid->cell0*grid->na_sc)/grid->na_c;
1287             fprintf(debug, "%2d %2d %2d bb %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f %5.2f\n",
1288                     sx, sy, sz,
1289                     grid->bb[bbo].lower[BB_X],
1290                     grid->bb[bbo].lower[BB_Y],
1291                     grid->bb[bbo].lower[BB_Z],
1292                     grid->bb[bbo].upper[BB_X],
1293                     grid->bb[bbo].upper[BB_Y],
1294                     grid->bb[bbo].upper[BB_Z]);
1295         }
1296     }
1297 }
1298
1299 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1300 static void sort_columns_simple(const nbnxn_search_t nbs,
1301                                 int dd_zone,
1302                                 nbnxn_grid_t *grid,
1303                                 int a0, int a1,
1304                                 const int *atinfo,
1305                                 rvec *x,
1306                                 nbnxn_atomdata_t *nbat,
1307                                 int cxy_start, int cxy_end,
1308                                 int *sort_work)
1309 {
1310     int  cxy;
1311     int  cx, cy, cz, ncz, cfilled, c;
1312     int  na, ash, ind, a;
1313     int  na_c, ash_c;
1314
1315     if (debug)
1316     {
1317         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1318                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1319     }
1320
1321     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1322     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1323     {
1324         cx = cxy/grid->ncy;
1325         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1326
1327         na  = grid->cxy_na[cxy];
1328         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1329         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1330
1331         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1332         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1333                    nbs->a+ash, na, x,
1334                    grid->c0[ZZ],
1335                    1.0/grid->size[ZZ], ncz*grid->na_sc,
1336                    sort_work);
1337
1338         /* Fill the ncz cells in this column */
1339         cfilled = grid->cxy_ind[cxy];
1340         for (cz = 0; cz < ncz; cz++)
1341         {
1342             c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1343
1344             ash_c = ash + cz*grid->na_sc;
1345             na_c  = min(grid->na_sc, na-(ash_c-ash));
1346
1347             fill_cell(nbs, grid, nbat,
1348                       ash_c, ash_c+na_c, atinfo, x,
1349                       grid->na_sc*cx + (dd_zone >> 2),
1350                       grid->na_sc*cy + (dd_zone & 3),
1351                       grid->na_sc*cz,
1352                       NULL);
1353
1354             /* This copy to bbcz is not really necessary.
1355              * But it allows to use the same grid search code
1356              * for the simple and supersub cell setups.
1357              */
1358             if (na_c > 0)
1359             {
1360                 cfilled = c;
1361             }
1362             grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = grid->bb[cfilled].lower[BB_Z];
1363             grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = grid->bb[cfilled].upper[BB_Z];
1364         }
1365
1366         /* Set the unused atom indices to -1 */
1367         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1368         {
1369             nbs->a[ash+ind] = -1;
1370         }
1371     }
1372 }
1373
1374 /* Spatially sort the atoms within one grid column */
1375 static void sort_columns_supersub(const nbnxn_search_t nbs,
1376                                   int dd_zone,
1377                                   nbnxn_grid_t *grid,
1378                                   int a0, int a1,
1379                                   const int *atinfo,
1380                                   rvec *x,
1381                                   nbnxn_atomdata_t *nbat,
1382                                   int cxy_start, int cxy_end,
1383                                   int *sort_work)
1384 {
1385     int        cxy;
1386     int        cx, cy, cz = -1, c = -1, ncz;
1387     int        na, ash, na_c, ind, a;
1388     int        subdiv_z, sub_z, na_z, ash_z;
1389     int        subdiv_y, sub_y, na_y, ash_y;
1390     int        subdiv_x, sub_x, na_x, ash_x;
1391
1392     nbnxn_bb_t bb_work_array[2], *bb_work_aligned;
1393
1394     bb_work_aligned = (nbnxn_bb_t *)(((size_t)(bb_work_array+1)) & (~((size_t)15)));
1395
1396     if (debug)
1397     {
1398         fprintf(debug, "cell0 %d sorting columns %d - %d, atoms %d - %d\n",
1399                 grid->cell0, cxy_start, cxy_end, a0, a1);
1400     }
1401
1402     subdiv_x = grid->na_c;
1403     subdiv_y = GPU_NSUBCELL_X*subdiv_x;
1404     subdiv_z = GPU_NSUBCELL_Y*subdiv_y;
1405
1406     /* Sort the atoms within each x,y column in 3 dimensions */
1407     for (cxy = cxy_start; cxy < cxy_end; cxy++)
1408     {
1409         cx = cxy/grid->ncy;
1410         cy = cxy - cx*grid->ncy;
1411
1412         na  = grid->cxy_na[cxy];
1413         ncz = grid->cxy_ind[cxy+1] - grid->cxy_ind[cxy];
1414         ash = (grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc;
1415
1416         /* Sort the atoms within each x,y column on z coordinate */
1417         sort_atoms(ZZ, FALSE, dd_zone,
1418                    nbs->a+ash, na, x,
1419                    grid->c0[ZZ],
1420                    1.0/grid->size[ZZ], ncz*grid->na_sc,
1421                    sort_work);
1422
1423         /* This loop goes over the supercells and subcells along z at once */
1424         for (sub_z = 0; sub_z < ncz*GPU_NSUBCELL_Z; sub_z++)
1425         {
1426             ash_z = ash + sub_z*subdiv_z;
1427             na_z  = min(subdiv_z, na-(ash_z-ash));
1428
1429             /* We have already sorted on z */
1430
1431             if (sub_z % GPU_NSUBCELL_Z == 0)
1432             {
1433                 cz = sub_z/GPU_NSUBCELL_Z;
1434                 c  = grid->cxy_ind[cxy] + cz;
1435
1436                 /* The number of atoms in this supercell */
1437                 na_c = min(grid->na_sc, na-(ash_z-ash));
1438
1439                 grid->nsubc[c] = min(GPU_NSUBCELL, (na_c+grid->na_c-1)/grid->na_c);
1440
1441                 /* Store the z-boundaries of the super cell */
1442                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D  ] = x[nbs->a[ash_z]][ZZ];
1443                 grid->bbcz[c*NNBSBB_D+1] = x[nbs->a[ash_z+na_c-1]][ZZ];
1444             }
1445
1446 #if GPU_NSUBCELL_Y > 1
1447             /* Sort the atoms along y */
1448             sort_atoms(YY, (sub_z & 1), dd_zone,
1449                        nbs->a+ash_z, na_z, x,
1450                        grid->c0[YY]+cy*grid->sy,
1451                        grid->inv_sy, subdiv_z,
1452                        sort_work);
1453 #endif
1454
1455             for (sub_y = 0; sub_y < GPU_NSUBCELL_Y; sub_y++)
1456             {
1457                 ash_y = ash_z + sub_y*subdiv_y;
1458                 na_y  = min(subdiv_y, na-(ash_y-ash));
1459
1460 #if GPU_NSUBCELL_X > 1
1461                 /* Sort the atoms along x */
1462                 sort_atoms(XX, ((cz*GPU_NSUBCELL_Y + sub_y) & 1), dd_zone,
1463                            nbs->a+ash_y, na_y, x,
1464                            grid->c0[XX]+cx*grid->sx,
1465                            grid->inv_sx, subdiv_y,
1466                            sort_work);
1467 #endif
1468
1469                 for (sub_x = 0; sub_x < GPU_NSUBCELL_X; sub_x++)
1470                 {
1471                     ash_x = ash_y + sub_x*subdiv_x;
1472                     na_x  = min(subdiv_x, na-(ash_x-ash));
1473
1474                     fill_cell(nbs, grid, nbat,
1475                               ash_x, ash_x+na_x, atinfo, x,
1476                               grid->na_c*(cx*GPU_NSUBCELL_X+sub_x) + (dd_zone >> 2),
1477                               grid->na_c*(cy*GPU_NSUBCELL_Y+sub_y) + (dd_zone & 3),
1478                               grid->na_c*sub_z,
1479                               bb_work_aligned);
1480                 }
1481             }
1482         }
1483
1484         /* Set the unused atom indices to -1 */
1485         for (ind = na; ind < ncz*grid->na_sc; ind++)
1486         {
1487             nbs->a[ash+ind] = -1;
1488         }
1489     }
1490 }
1491
1492 /* Determine in which grid column atoms should go */
1493 static void calc_column_indices(nbnxn_grid_t *grid,
1494                                 int a0, int a1,
1495                                 rvec *x,
1496                                 int dd_zone, const int *move,
1497                                 int thread, int nthread,
1498                                 int *cell,
1499                                 int *cxy_na)
1500 {
1501     int  n0, n1, i;
1502     int  cx, cy;
1503
1504     /* We add one extra cell for particles which moved during DD */
1505     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1506     {
1507         cxy_na[i] = 0;
1508     }
1509
1510     n0 = a0 + (int)((thread+0)*(a1 - a0))/nthread;
1511     n1 = a0 + (int)((thread+1)*(a1 - a0))/nthread;
1512     if (dd_zone == 0)
1513     {
1514         /* Home zone */
1515         for (i = n0; i < n1; i++)
1516         {
1517             if (move == NULL || move[i] >= 0)
1518             {
1519                 /* We need to be careful with rounding,
1520                  * particles might be a few bits outside the local zone.
1521                  * The int cast takes care of the lower bound,
1522                  * we will explicitly take care of the upper bound.
1523                  */
1524                 cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1525                 cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1526
1527 #ifndef NDEBUG
1528                 if (cx < 0 || cx > grid->ncx ||
1529                     cy < 0 || cy > grid->ncy)
1530                 {
1531                     gmx_fatal(FARGS,
1532                               "grid cell cx %d cy %d out of range (max %d %d)\n"
1533                               "atom %f %f %f, grid->c0 %f %f",
1534                               cx, cy, grid->ncx, grid->ncy,
1535                               x[i][XX], x[i][YY], x[i][ZZ], grid->c0[XX], grid->c0[YY]);
1536                 }
1537 #endif
1538                 /* Take care of potential rouding issues */
1539                 cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1540                 cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1541
1542                 /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1543                  * x and y indices, not z.
1544                  */
1545                 cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1546             }
1547             else
1548             {
1549                 /* Put this moved particle after the end of the grid,
1550                  * so we can process it later without using conditionals.
1551                  */
1552                 cell[i] = grid->ncx*grid->ncy;
1553             }
1554
1555             cxy_na[cell[i]]++;
1556         }
1557     }
1558     else
1559     {
1560         /* Non-home zone */
1561         for (i = n0; i < n1; i++)
1562         {
1563             cx = (int)((x[i][XX] - grid->c0[XX])*grid->inv_sx);
1564             cy = (int)((x[i][YY] - grid->c0[YY])*grid->inv_sy);
1565
1566             /* For non-home zones there could be particles outside
1567              * the non-bonded cut-off range, which have been communicated
1568              * for bonded interactions only. For the result it doesn't
1569              * matter where these end up on the grid. For performance
1570              * we put them in an extra row at the border.
1571              */
1572             cx = max(cx, 0);
1573             cx = min(cx, grid->ncx - 1);
1574             cy = max(cy, 0);
1575             cy = min(cy, grid->ncy - 1);
1576
1577             /* For the moment cell will contain only the, grid local,
1578              * x and y indices, not z.
1579              */
1580             cell[i] = cx*grid->ncy + cy;
1581
1582             cxy_na[cell[i]]++;
1583         }
1584     }
1585 }
1586
1587 /* Determine in which grid cells the atoms should go */
1588 static void calc_cell_indices(const nbnxn_search_t nbs,
1589                               int dd_zone,
1590                               nbnxn_grid_t *grid,
1591                               int a0, int a1,
1592                               const int *atinfo,
1593                               rvec *x,
1594                               const int *move,
1595                               nbnxn_atomdata_t *nbat)
1596 {
1597     int   n0, n1, i;
1598     int   cx, cy, cxy, ncz_max, ncz;
1599     int   nthread, thread;
1600     int  *cxy_na, cxy_na_i;
1601
1602     nthread = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1603
1604 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1605     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1606     {
1607         calc_column_indices(grid, a0, a1, x, dd_zone, move, thread, nthread,
1608                             nbs->cell, nbs->work[thread].cxy_na);
1609     }
1610
1611     /* Make the cell index as a function of x and y */
1612     ncz_max          = 0;
1613     ncz              = 0;
1614     grid->cxy_ind[0] = 0;
1615     for (i = 0; i < grid->ncx*grid->ncy+1; i++)
1616     {
1617         /* We set ncz_max at the beginning of the loop iso at the end
1618          * to skip i=grid->ncx*grid->ncy which are moved particles
1619          * that do not need to be ordered on the grid.
1620          */
1621         if (ncz > ncz_max)
1622         {
1623             ncz_max = ncz;
1624         }
1625         cxy_na_i = nbs->work[0].cxy_na[i];
1626         for (thread = 1; thread < nthread; thread++)
1627         {
1628             cxy_na_i += nbs->work[thread].cxy_na[i];
1629         }
1630         ncz = (cxy_na_i + grid->na_sc - 1)/grid->na_sc;
1631         if (nbat->XFormat == nbatX8)
1632         {
1633             /* Make the number of cell a multiple of 2 */
1634             ncz = (ncz + 1) & ~1;
1635         }
1636         grid->cxy_ind[i+1] = grid->cxy_ind[i] + ncz;
1637         /* Clear cxy_na, so we can reuse the array below */
1638         grid->cxy_na[i] = 0;
1639     }
1640     grid->nc = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy] - grid->cxy_ind[0];
1641
1642     nbat->natoms = (grid->cell0 + grid->nc)*grid->na_sc;
1643
1644     if (debug)
1645     {
1646         fprintf(debug, "ns na_sc %d na_c %d super-cells: %d x %d y %d z %.1f maxz %d\n",
1647                 grid->na_sc, grid->na_c, grid->nc,
1648                 grid->ncx, grid->ncy, grid->nc/((double)(grid->ncx*grid->ncy)),
1649                 ncz_max);
1650         if (gmx_debug_at)
1651         {
1652             i = 0;
1653             for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
1654             {
1655                 for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
1656                 {
1657                     fprintf(debug, " %2d", grid->cxy_ind[i+1]-grid->cxy_ind[i]);
1658                     i++;
1659                 }
1660                 fprintf(debug, "\n");
1661             }
1662         }
1663     }
1664
1665     /* Make sure the work array for sorting is large enough */
1666     if (ncz_max*grid->na_sc*SGSF > nbs->work[0].sort_work_nalloc)
1667     {
1668         for (thread = 0; thread < nbs->nthread_max; thread++)
1669         {
1670             nbs->work[thread].sort_work_nalloc =
1671                 over_alloc_large(ncz_max*grid->na_sc*SGSF);
1672             srenew(nbs->work[thread].sort_work,
1673                    nbs->work[thread].sort_work_nalloc);
1674             /* When not in use, all elements should be -1 */
1675             for (i = 0; i < nbs->work[thread].sort_work_nalloc; i++)
1676             {
1677                 nbs->work[thread].sort_work[i] = -1;
1678             }
1679         }
1680     }
1681
1682     /* Now we know the dimensions we can fill the grid.
1683      * This is the first, unsorted fill. We sort the columns after this.
1684      */
1685     for (i = a0; i < a1; i++)
1686     {
1687         /* At this point nbs->cell contains the local grid x,y indices */
1688         cxy = nbs->cell[i];
1689         nbs->a[(grid->cell0 + grid->cxy_ind[cxy])*grid->na_sc + grid->cxy_na[cxy]++] = i;
1690     }
1691
1692     if (dd_zone == 0)
1693     {
1694         /* Set the cell indices for the moved particles */
1695         n0 = grid->nc*grid->na_sc;
1696         n1 = grid->nc*grid->na_sc+grid->cxy_na[grid->ncx*grid->ncy];
1697         if (dd_zone == 0)
1698         {
1699             for (i = n0; i < n1; i++)
1700             {
1701                 nbs->cell[nbs->a[i]] = i;
1702             }
1703         }
1704     }
1705
1706     /* Sort the super-cell columns along z into the sub-cells. */
1707 #pragma omp parallel for num_threads(nthread) schedule(static)
1708     for (thread = 0; thread < nthread; thread++)
1709     {
1710         if (grid->bSimple)
1711         {
1712             sort_columns_simple(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1713                                 ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1714                                 ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1715                                 nbs->work[thread].sort_work);
1716         }
1717         else
1718         {
1719             sort_columns_supersub(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, nbat,
1720                                   ((thread+0)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1721                                   ((thread+1)*grid->ncx*grid->ncy)/nthread,
1722                                   nbs->work[thread].sort_work);
1723         }
1724     }
1725
1726     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
1727     {
1728         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb);
1729     }
1730
1731     if (!grid->bSimple)
1732     {
1733         grid->nsubc_tot = 0;
1734         for (i = 0; i < grid->nc; i++)
1735         {
1736             grid->nsubc_tot += grid->nsubc[i];
1737         }
1738     }
1739
1740     if (debug)
1741     {
1742         if (grid->bSimple)
1743         {
1744             print_bbsizes_simple(debug, grid);
1745         }
1746         else
1747         {
1748             fprintf(debug, "ns non-zero sub-cells: %d average atoms %.2f\n",
1749                     grid->nsubc_tot, (a1-a0)/(double)grid->nsubc_tot);
1750
1751             print_bbsizes_supersub(debug, grid);
1752         }
1753     }
1754 }
1755
1756 static void init_buffer_flags(nbnxn_buffer_flags_t *flags,
1757                               int                   natoms)
1758 {
1759     int b;
1760
1761     flags->nflag = (natoms + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE - 1)/NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE;
1762     if (flags->nflag > flags->flag_nalloc)
1763     {
1764         flags->flag_nalloc = over_alloc_large(flags->nflag);
1765         srenew(flags->flag, flags->flag_nalloc);
1766     }
1767     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
1768     {
1769         bitmask_clear(&(flags->flag[b]));
1770     }
1771 }
1772
1773 /* Sets up a grid and puts the atoms on the grid.
1774  * This function only operates on one domain of the domain decompostion.
1775  * Note that without domain decomposition there is only one domain.
1776  */
1777 void nbnxn_put_on_grid(nbnxn_search_t nbs,
1778                        int ePBC, matrix box,
1779                        int dd_zone,
1780                        rvec corner0, rvec corner1,
1781                        int a0, int a1,
1782                        real atom_density,
1783                        const int *atinfo,
1784                        rvec *x,
1785                        int nmoved, int *move,
1786                        int nb_kernel_type,
1787                        nbnxn_atomdata_t *nbat)
1788 {
1789     nbnxn_grid_t *grid;
1790     int           n;
1791     int           nc_max_grid, nc_max;
1792
1793     grid = &nbs->grid[dd_zone];
1794
1795     nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1796
1797     grid->bSimple = nbnxn_kernel_pairlist_simple(nb_kernel_type);
1798
1799     grid->na_c      = nbnxn_kernel_to_ci_size(nb_kernel_type);
1800     grid->na_cj     = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
1801     grid->na_sc     = (grid->bSimple ? 1 : GPU_NSUBCELL)*grid->na_c;
1802     grid->na_c_2log = get_2log(grid->na_c);
1803
1804     nbat->na_c = grid->na_c;
1805
1806     if (dd_zone == 0)
1807     {
1808         grid->cell0 = 0;
1809     }
1810     else
1811     {
1812         grid->cell0 =
1813             (nbs->grid[dd_zone-1].cell0 + nbs->grid[dd_zone-1].nc)*
1814             nbs->grid[dd_zone-1].na_sc/grid->na_sc;
1815     }
1816
1817     n = a1 - a0;
1818
1819     if (dd_zone == 0)
1820     {
1821         nbs->ePBC = ePBC;
1822         copy_mat(box, nbs->box);
1823
1824         /* Avoid zero density */
1825         if (atom_density > 0)
1826         {
1827             grid->atom_density = atom_density;
1828         }
1829         else
1830         {
1831             grid->atom_density = grid_atom_density(n-nmoved, corner0, corner1);
1832         }
1833
1834         grid->cell0 = 0;
1835
1836         nbs->natoms_local    = a1 - nmoved;
1837         /* We assume that nbnxn_put_on_grid is called first
1838          * for the local atoms (dd_zone=0).
1839          */
1840         nbs->natoms_nonlocal = a1 - nmoved;
1841
1842         if (debug)
1843         {
1844             fprintf(debug, "natoms_local = %5d atom_density = %5.1f\n",
1845                     nbs->natoms_local, grid->atom_density);
1846         }
1847     }
1848     else
1849     {
1850         nbs->natoms_nonlocal = max(nbs->natoms_nonlocal, a1);
1851     }
1852
1853     /* We always use the home zone (grid[0]) for setting the cell size,
1854      * since determining densities for non-local zones is difficult.
1855      */
1856     nc_max_grid = set_grid_size_xy(nbs, grid,
1857                                    dd_zone, n-nmoved, corner0, corner1,
1858                                    nbs->grid[0].atom_density);
1859
1860     nc_max = grid->cell0 + nc_max_grid;
1861
1862     if (a1 > nbs->cell_nalloc)
1863     {
1864         nbs->cell_nalloc = over_alloc_large(a1);
1865         srenew(nbs->cell, nbs->cell_nalloc);
1866     }
1867
1868     /* To avoid conditionals we store the moved particles at the end of a,
1869      * make sure we have enough space.
1870      */
1871     if (nc_max*grid->na_sc + nmoved > nbs->a_nalloc)
1872     {
1873         nbs->a_nalloc = over_alloc_large(nc_max*grid->na_sc + nmoved);
1874         srenew(nbs->a, nbs->a_nalloc);
1875     }
1876
1877     /* We need padding up to a multiple of the buffer flag size: simply add */
1878     if (nc_max*grid->na_sc + NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE > nbat->nalloc)
1879     {
1880         nbnxn_atomdata_realloc(nbat, nc_max*grid->na_sc+NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE);
1881     }
1882
1883     calc_cell_indices(nbs, dd_zone, grid, a0, a1, atinfo, x, move, nbat);
1884
1885     if (dd_zone == 0)
1886     {
1887         nbat->natoms_local = nbat->natoms;
1888     }
1889
1890     nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCgrid]);
1891 }
1892
1893 /* Calls nbnxn_put_on_grid for all non-local domains */
1894 void nbnxn_put_on_grid_nonlocal(nbnxn_search_t            nbs,
1895                                 const gmx_domdec_zones_t *zones,
1896                                 const int                *atinfo,
1897                                 rvec                     *x,
1898                                 int                       nb_kernel_type,
1899                                 nbnxn_atomdata_t         *nbat)
1900 {
1901     int  zone, d;
1902     rvec c0, c1;
1903
1904     for (zone = 1; zone < zones->n; zone++)
1905     {
1906         for (d = 0; d < DIM; d++)
1907         {
1908             c0[d] = zones->size[zone].bb_x0[d];
1909             c1[d] = zones->size[zone].bb_x1[d];
1910         }
1911
1912         nbnxn_put_on_grid(nbs, nbs->ePBC, NULL,
1913                           zone, c0, c1,
1914                           zones->cg_range[zone],
1915                           zones->cg_range[zone+1],
1916                           -1,
1917                           atinfo,
1918                           x,
1919                           0, NULL,
1920                           nb_kernel_type,
1921                           nbat);
1922     }
1923 }
1924
1925 /* Add simple grid type information to the local super/sub grid */
1926 void nbnxn_grid_add_simple(nbnxn_search_t    nbs,
1927                            nbnxn_atomdata_t *nbat)
1928 {
1929     nbnxn_grid_t *grid;
1930     float        *bbcz;
1931     nbnxn_bb_t   *bb;
1932     int           ncd, sc;
1933     int           nthreads gmx_unused;
1934
1935     grid = &nbs->grid[0];
1936
1937     if (grid->bSimple)
1938     {
1939         gmx_incons("nbnxn_grid_simple called with a simple grid");
1940     }
1941
1942     ncd = grid->na_sc/NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1943
1944     if (grid->nc*ncd > grid->nc_nalloc_simple)
1945     {
1946         grid->nc_nalloc_simple = over_alloc_large(grid->nc*ncd);
1947         srenew(grid->bbcz_simple, grid->nc_nalloc_simple*NNBSBB_D);
1948         srenew(grid->bb_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1949         srenew(grid->flags_simple, grid->nc_nalloc_simple);
1950         if (nbat->XFormat)
1951         {
1952             sfree_aligned(grid->bbj);
1953             snew_aligned(grid->bbj, grid->nc_nalloc_simple/2, 16);
1954         }
1955     }
1956
1957     bbcz = grid->bbcz_simple;
1958     bb   = grid->bb_simple;
1959
1960     nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
1961 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
1962     for (sc = 0; sc < grid->nc; sc++)
1963     {
1964         int c, tx, na;
1965
1966         for (c = 0; c < ncd; c++)
1967         {
1968             tx = sc*ncd + c;
1969
1970             na = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
1971             while (na > 0 &&
1972                    nbat->type[tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+na-1] == nbat->ntype-1)
1973             {
1974                 na--;
1975             }
1976
1977             if (na > 0)
1978             {
1979                 switch (nbat->XFormat)
1980                 {
1981                     case nbatX4:
1982                         /* PACK_X4==NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, so this is simple */
1983                         calc_bounding_box_x_x4(na, nbat->x+tx*STRIDE_P4,
1984                                                bb+tx);
1985                         break;
1986                     case nbatX8:
1987                         /* PACK_X8>NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE, more complicated */
1988                         calc_bounding_box_x_x8(na, nbat->x+X8_IND_A(tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE),
1989                                                bb+tx);
1990                         break;
1991                     default:
1992                         calc_bounding_box(na, nbat->xstride,
1993                                           nbat->x+tx*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*nbat->xstride,
1994                                           bb+tx);
1995                         break;
1996                 }
1997                 bbcz[tx*NNBSBB_D+0] = bb[tx].lower[BB_Z];
1998                 bbcz[tx*NNBSBB_D+1] = bb[tx].upper[BB_Z];
1999
2000                 /* No interaction optimization yet here */
2001                 grid->flags_simple[tx] = NBNXN_CI_DO_LJ(0) | NBNXN_CI_DO_COUL(0);
2002             }
2003             else
2004             {
2005                 grid->flags_simple[tx] = 0;
2006             }
2007         }
2008     }
2009
2010     if (grid->bSimple && nbat->XFormat == nbatX8)
2011     {
2012         combine_bounding_box_pairs(grid, grid->bb_simple);
2013     }
2014 }
2015
2016 void nbnxn_get_ncells(nbnxn_search_t nbs, int *ncx, int *ncy)
2017 {
2018     *ncx = nbs->grid[0].ncx;
2019     *ncy = nbs->grid[0].ncy;
2020 }
2021
2022 void nbnxn_get_atomorder(nbnxn_search_t nbs, int **a, int *n)
2023 {
2024     const nbnxn_grid_t *grid;
2025
2026     grid = &nbs->grid[0];
2027
2028     /* Return the atom order for the home cell (index 0) */
2029     *a  = nbs->a;
2030
2031     *n = grid->cxy_ind[grid->ncx*grid->ncy]*grid->na_sc;
2032 }
2033
2034 void nbnxn_set_atomorder(nbnxn_search_t nbs)
2035 {
2036     nbnxn_grid_t *grid;
2037     int           ao, cx, cy, cxy, cz, j;
2038
2039     /* Set the atom order for the home cell (index 0) */
2040     grid = &nbs->grid[0];
2041
2042     ao = 0;
2043     for (cx = 0; cx < grid->ncx; cx++)
2044     {
2045         for (cy = 0; cy < grid->ncy; cy++)
2046         {
2047             cxy = cx*grid->ncy + cy;
2048             j   = grid->cxy_ind[cxy]*grid->na_sc;
2049             for (cz = 0; cz < grid->cxy_na[cxy]; cz++)
2050             {
2051                 nbs->a[j]     = ao;
2052                 nbs->cell[ao] = j;
2053                 ao++;
2054                 j++;
2055             }
2056         }
2057     }
2058 }
2059
2060 /* Determines the cell range along one dimension that
2061  * the bounding box b0 - b1 sees.
2062  */
2063 static void get_cell_range(real b0, real b1,
2064                            int nc, real c0, real s, real invs,
2065                            real d2, real r2, int *cf, int *cl)
2066 {
2067     *cf = max((int)((b0 - c0)*invs), 0);
2068
2069     while (*cf > 0 && d2 + sqr((b0 - c0) - (*cf-1+1)*s) < r2)
2070     {
2071         (*cf)--;
2072     }
2073
2074     *cl = min((int)((b1 - c0)*invs), nc-1);
2075     while (*cl < nc-1 && d2 + sqr((*cl+1)*s - (b1 - c0)) < r2)
2076     {
2077         (*cl)++;
2078     }
2079 }
2080
2081 /* Reference code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2082 static float box_dist2(float bx0, float bx1, float by0,
2083                        float by1, float bz0, float bz1,
2084                        const nbnxn_bb_t *bb)
2085 {
2086     float d2;
2087     float dl, dh, dm, dm0;
2088
2089     d2 = 0;
2090
2091     dl  = bx0 - bb->upper[BB_X];
2092     dh  = bb->lower[BB_X] - bx1;
2093     dm  = max(dl, dh);
2094     dm0 = max(dm, 0);
2095     d2 += dm0*dm0;
2096
2097     dl  = by0 - bb->upper[BB_Y];
2098     dh  = bb->lower[BB_Y] - by1;
2099     dm  = max(dl, dh);
2100     dm0 = max(dm, 0);
2101     d2 += dm0*dm0;
2102
2103     dl  = bz0 - bb->upper[BB_Z];
2104     dh  = bb->lower[BB_Z] - bz1;
2105     dm  = max(dl, dh);
2106     dm0 = max(dm, 0);
2107     d2 += dm0*dm0;
2108
2109     return d2;
2110 }
2111
2112 /* Plain C code calculating the distance^2 between two bounding boxes */
2113 static float subc_bb_dist2(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2114                            int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2115 {
2116     const nbnxn_bb_t *bb_i, *bb_j;
2117     float             d2;
2118     float             dl, dh, dm, dm0;
2119
2120     bb_i = bb_i_ci  +  si;
2121     bb_j = bb_j_all + csj;
2122
2123     d2 = 0;
2124
2125     dl  = bb_i->lower[BB_X] - bb_j->upper[BB_X];
2126     dh  = bb_j->lower[BB_X] - bb_i->upper[BB_X];
2127     dm  = max(dl, dh);
2128     dm0 = max(dm, 0);
2129     d2 += dm0*dm0;
2130
2131     dl  = bb_i->lower[BB_Y] - bb_j->upper[BB_Y];
2132     dh  = bb_j->lower[BB_Y] - bb_i->upper[BB_Y];
2133     dm  = max(dl, dh);
2134     dm0 = max(dm, 0);
2135     d2 += dm0*dm0;
2136
2137     dl  = bb_i->lower[BB_Z] - bb_j->upper[BB_Z];
2138     dh  = bb_j->lower[BB_Z] - bb_i->upper[BB_Z];
2139     dm  = max(dl, dh);
2140     dm0 = max(dm, 0);
2141     d2 += dm0*dm0;
2142
2143     return d2;
2144 }
2145
2146 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
2147
2148 /* 4-wide SIMD code for bb distance for bb format xyz0 */
2149 static float subc_bb_dist2_simd4(int si, const nbnxn_bb_t *bb_i_ci,
2150                                  int csj, const nbnxn_bb_t *bb_j_all)
2151 {
2152     gmx_simd4_float_t bb_i_S0, bb_i_S1;
2153     gmx_simd4_float_t bb_j_S0, bb_j_S1;
2154     gmx_simd4_float_t dl_S;
2155     gmx_simd4_float_t dh_S;
2156     gmx_simd4_float_t dm_S;
2157     gmx_simd4_float_t dm0_S;
2158
2159     bb_i_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].lower[0]);
2160     bb_i_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_i_ci[si].upper[0]);
2161     bb_j_S0 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].lower[0]);
2162     bb_j_S1 = gmx_simd4_load_f(&bb_j_all[csj].upper[0]);
2163
2164     dl_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_i_S0, bb_j_S1);
2165     dh_S    = gmx_simd4_sub_f(bb_j_S0, bb_i_S1);
2166
2167     dm_S    = gmx_simd4_max_f(dl_S, dh_S);
2168     dm0_S   = gmx_simd4_max_f(dm_S, gmx_simd4_setzero_f());
2169
2170     return gmx_simd4_dotproduct3_f(dm0_S, dm0_S);
2171 }
2172
2173 /* Calculate bb bounding distances of bb_i[si,...,si+3] and store them in d2 */
2174 #define SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(si, bb_i, d2) \
2175     {                                                \
2176         int               shi;                                  \
2177                                                  \
2178         gmx_simd4_float_t dx_0, dy_0, dz_0;                    \
2179         gmx_simd4_float_t dx_1, dy_1, dz_1;                    \
2180                                                  \
2181         gmx_simd4_float_t mx, my, mz;                          \
2182         gmx_simd4_float_t m0x, m0y, m0z;                       \
2183                                                  \
2184         gmx_simd4_float_t d2x, d2y, d2z;                       \
2185         gmx_simd4_float_t d2s, d2t;                            \
2186                                                  \
2187         shi = si*NNBSBB_D*DIM;                       \
2188                                                  \
2189         xi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+0*STRIDE_PBB);   \
2190         yi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+1*STRIDE_PBB);   \
2191         zi_l = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+2*STRIDE_PBB);   \
2192         xi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+3*STRIDE_PBB);   \
2193         yi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+4*STRIDE_PBB);   \
2194         zi_h = gmx_simd4_load_f(bb_i+shi+5*STRIDE_PBB);   \
2195                                                  \
2196         dx_0 = gmx_simd4_sub_f(xi_l, xj_h);                 \
2197         dy_0 = gmx_simd4_sub_f(yi_l, yj_h);                 \
2198         dz_0 = gmx_simd4_sub_f(zi_l, zj_h);                 \
2199                                                  \
2200         dx_1 = gmx_simd4_sub_f(xj_l, xi_h);                 \
2201         dy_1 = gmx_simd4_sub_f(yj_l, yi_h);                 \
2202         dz_1 = gmx_simd4_sub_f(zj_l, zi_h);                 \
2203                                                  \
2204         mx   = gmx_simd4_max_f(dx_0, dx_1);                 \
2205         my   = gmx_simd4_max_f(dy_0, dy_1);                 \
2206         mz   = gmx_simd4_max_f(dz_0, dz_1);                 \
2207                                                  \
2208         m0x  = gmx_simd4_max_f(mx, zero);                   \
2209         m0y  = gmx_simd4_max_f(my, zero);                   \
2210         m0z  = gmx_simd4_max_f(mz, zero);                   \
2211                                                  \
2212         d2x  = gmx_simd4_mul_f(m0x, m0x);                   \
2213         d2y  = gmx_simd4_mul_f(m0y, m0y);                   \
2214         d2z  = gmx_simd4_mul_f(m0z, m0z);                   \
2215                                                  \
2216         d2s  = gmx_simd4_add_f(d2x, d2y);                   \
2217         d2t  = gmx_simd4_add_f(d2s, d2z);                   \
2218                                                  \
2219         gmx_simd4_store_f(d2+si, d2t);                      \
2220     }
2221
2222 /* 4-wide SIMD code for nsi bb distances for bb format xxxxyyyyzzzz */
2223 static void subc_bb_dist2_simd4_xxxx(const float *bb_j,
2224                                      int nsi, const float *bb_i,
2225                                      float *d2)
2226 {
2227     gmx_simd4_float_t xj_l, yj_l, zj_l;
2228     gmx_simd4_float_t xj_h, yj_h, zj_h;
2229     gmx_simd4_float_t xi_l, yi_l, zi_l;
2230     gmx_simd4_float_t xi_h, yi_h, zi_h;
2231
2232     gmx_simd4_float_t zero;
2233
2234     zero = gmx_simd4_setzero_f();
2235
2236     xj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[0*STRIDE_PBB]);
2237     yj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[1*STRIDE_PBB]);
2238     zj_l = gmx_simd4_set1_f(bb_j[2*STRIDE_PBB]);
2239     xj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[3*STRIDE_PBB]);
2240     yj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[4*STRIDE_PBB]);
2241     zj_h = gmx_simd4_set1_f(bb_j[5*STRIDE_PBB]);
2242
2243     /* Here we "loop" over si (0,STRIDE_PBB) from 0 to nsi with step STRIDE_PBB.
2244      * But as we know the number of iterations is 1 or 2, we unroll manually.
2245      */
2246     SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(0, bb_i, d2);
2247     if (STRIDE_PBB < nsi)
2248     {
2249         SUBC_BB_DIST2_SIMD4_XXXX_INNER(STRIDE_PBB, bb_i, d2);
2250     }
2251 }
2252
2253 #endif /* NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4 */
2254
2255 /* Plain C function which determines if any atom pair between two cells
2256  * is within distance sqrt(rl2).
2257  */
2258 static gmx_bool subc_in_range_x(int na_c,
2259                                 int si, const real *x_i,
2260                                 int csj, int stride, const real *x_j,
2261                                 real rl2)
2262 {
2263     int  i, j, i0, j0;
2264     real d2;
2265
2266     for (i = 0; i < na_c; i++)
2267     {
2268         i0 = (si*na_c + i)*DIM;
2269         for (j = 0; j < na_c; j++)
2270         {
2271             j0 = (csj*na_c + j)*stride;
2272
2273             d2 = sqr(x_i[i0  ] - x_j[j0  ]) +
2274                 sqr(x_i[i0+1] - x_j[j0+1]) +
2275                 sqr(x_i[i0+2] - x_j[j0+2]);
2276
2277             if (d2 < rl2)
2278             {
2279                 return TRUE;
2280             }
2281         }
2282     }
2283
2284     return FALSE;
2285 }
2286
2287 #ifdef NBNXN_SEARCH_SIMD4_FLOAT_X_BB
2288
2289 /* 4-wide SIMD function which determines if any atom pair between two cells,
2290  * both with 8 atoms, is within distance sqrt(rl2).
2291  * Using 8-wide AVX is not faster on Intel Sandy Bridge.
2292  */
2293 static gmx_bool subc_in_range_simd4(int na_c,
2294                                     int si, const real *x_i,
2295                                     int csj, int stride, const real *x_j,
2296                                     real rl2)
2297 {
2298     gmx_simd4_real_t ix_S0, iy_S0, iz_S0;
2299     gmx_simd4_real_t ix_S1, iy_S1, iz_S1;
2300
2301     gmx_simd4_real_t rc2_S;
2302
2303     int              dim_stride;
2304     int              j0, j1;
2305
2306     rc2_S   = gmx_simd4_set1_r(rl2);
2307
2308     dim_stride = NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/STRIDE_PBB*DIM;
2309     ix_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+0)*STRIDE_PBB);
2310     iy_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+1)*STRIDE_PBB);
2311     iz_S0      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+2)*STRIDE_PBB);
2312     ix_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+3)*STRIDE_PBB);
2313     iy_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+4)*STRIDE_PBB);
2314     iz_S1      = gmx_simd4_load_r(x_i+(si*dim_stride+5)*STRIDE_PBB);
2315
2316     /* We loop from the outer to the inner particles to maximize
2317      * the chance that we find a pair in range quickly and return.
2318      */
2319     j0 = csj*na_c;
2320     j1 = j0 + na_c - 1;
2321     while (j0 < j1)
2322     {
2323         gmx_simd4_real_t jx0_S, jy0_S, jz0_S;
2324         gmx_simd4_real_t jx1_S, jy1_S, jz1_S;
2325
2326         gmx_simd4_real_t dx_S0, dy_S0, dz_S0;
2327         gmx_simd4_real_t dx_S1, dy_S1, dz_S1;
2328         gmx_simd4_real_t dx_S2, dy_S2, dz_S2;
2329         gmx_simd4_real_t dx_S3, dy_S3, dz_S3;
2330
2331         gmx_simd4_real_t rsq_S0;
2332         gmx_simd4_real_t rsq_S1;
2333         gmx_simd4_real_t rsq_S2;
2334         gmx_simd4_real_t rsq_S3;
2335
2336         gmx_simd4_bool_t wco_S0;
2337         gmx_simd4_bool_t wco_S1;
2338         gmx_simd4_bool_t wco_S2;
2339         gmx_simd4_bool_t wco_S3;
2340         gmx_simd4_bool_t wco_any_S01, wco_any_S23, wco_any_S;
2341
2342         jx0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+0]);
2343         jy0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+1]);
2344         jz0_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j0*stride+2]);
2345
2346         jx1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+0]);
2347         jy1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+1]);
2348         jz1_S = gmx_simd4_set1_r(x_j[j1*stride+2]);
2349
2350         /* Calculate distance */
2351         dx_S0            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx0_S);
2352         dy_S0            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy0_S);
2353         dz_S0            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz0_S);
2354         dx_S1            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx0_S);
2355         dy_S1            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy0_S);
2356         dz_S1            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz0_S);
2357         dx_S2            = gmx_simd4_sub_r(ix_S0, jx1_S);
2358         dy_S2            = gmx_simd4_sub_r(iy_S0, jy1_S);
2359         dz_S2            = gmx_simd4_sub_r(iz_S0, jz1_S);
2360         dx_S3            = gmx_simd4_sub_r(ix_S1, jx1_S);
2361         dy_S3            = gmx_simd4_sub_r(iy_S1, jy1_S);
2362         dz_S3            = gmx_simd4_sub_r(iz_S1, jz1_S);
2363
2364         /* rsq = dx*dx+dy*dy+dz*dz */
2365         rsq_S0           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S0, dy_S0, dz_S0);
2366         rsq_S1           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S1, dy_S1, dz_S1);
2367         rsq_S2           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S2, dy_S2, dz_S2);
2368         rsq_S3           = gmx_simd4_calc_rsq_r(dx_S3, dy_S3, dz_S3);
2369
2370         wco_S0           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S0, rc2_S);
2371         wco_S1           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S1, rc2_S);
2372         wco_S2           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S2, rc2_S);
2373         wco_S3           = gmx_simd4_cmplt_r(rsq_S3, rc2_S);
2374
2375         wco_any_S01      = gmx_simd4_or_b(wco_S0, wco_S1);
2376         wco_any_S23      = gmx_simd4_or_b(wco_S2, wco_S3);
2377         wco_any_S        = gmx_simd4_or_b(wco_any_S01, wco_any_S23);
2378
2379         if (gmx_simd4_anytrue_b(wco_any_S))
2380         {
2381             return TRUE;
2382         }
2383
2384         j0++;
2385         j1--;
2386     }
2387     return FALSE;
2388
2389 }
2390 #endif
2391
2392
2393 /* Returns the j sub-cell for index cj_ind */
2394 static int nbl_cj(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2395 {
2396     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].cj[cj_ind & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1)];
2397 }
2398
2399 /* Returns the i-interaction mask of the j sub-cell for index cj_ind */
2400 static unsigned int nbl_imask0(const nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj_ind)
2401 {
2402     return nbl->cj4[cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG].imei[0].imask;
2403 }
2404
2405 /* Ensures there is enough space for extra extra exclusion masks */
2406 static void check_excl_space(nbnxn_pairlist_t *nbl, int extra)
2407 {
2408     if (nbl->nexcl+extra > nbl->excl_nalloc)
2409     {
2410         nbl->excl_nalloc = over_alloc_small(nbl->nexcl+extra);
2411         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->excl,
2412                            nbl->nexcl*sizeof(*nbl->excl),
2413                            nbl->excl_nalloc*sizeof(*nbl->excl),
2414                            nbl->alloc, nbl->free);
2415     }
2416 }
2417
2418 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-cells in the list */
2419 static void check_subcell_list_space_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2420                                             int               ncell)
2421 {
2422     int cj_max;
2423
2424     cj_max = nbl->ncj + ncell;
2425
2426     if (cj_max > nbl->cj_nalloc)
2427     {
2428         nbl->cj_nalloc = over_alloc_small(cj_max);
2429         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj,
2430                            nbl->ncj*sizeof(*nbl->cj),
2431                            nbl->cj_nalloc*sizeof(*nbl->cj),
2432                            nbl->alloc, nbl->free);
2433     }
2434 }
2435
2436 /* Ensures there is enough space for ncell extra j-subcells in the list */
2437 static void check_subcell_list_space_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2438                                               int               nsupercell)
2439 {
2440     int ncj4_max, j4, j, w, t;
2441
2442 #define NWARP       2
2443 #define WARP_SIZE  32
2444
2445     /* We can have maximally nsupercell*GPU_NSUBCELL sj lists */
2446     /* We can store 4 j-subcell - i-supercell pairs in one struct.
2447      * since we round down, we need one extra entry.
2448      */
2449     ncj4_max = ((nbl->work->cj_ind + nsupercell*GPU_NSUBCELL + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
2450
2451     if (ncj4_max > nbl->cj4_nalloc)
2452     {
2453         nbl->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4_max);
2454         nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->cj4,
2455                            nbl->work->cj4_init*sizeof(*nbl->cj4),
2456                            nbl->cj4_nalloc*sizeof(*nbl->cj4),
2457                            nbl->alloc, nbl->free);
2458     }
2459
2460     if (ncj4_max > nbl->work->cj4_init)
2461     {
2462         for (j4 = nbl->work->cj4_init; j4 < ncj4_max; j4++)
2463         {
2464             /* No i-subcells and no excl's in the list initially */
2465             for (w = 0; w < NWARP; w++)
2466             {
2467                 nbl->cj4[j4].imei[w].imask    = 0U;
2468                 nbl->cj4[j4].imei[w].excl_ind = 0;
2469
2470             }
2471         }
2472         nbl->work->cj4_init = ncj4_max;
2473     }
2474 }
2475
2476 /* Set all excl masks for one GPU warp no exclusions */
2477 static void set_no_excls(nbnxn_excl_t *excl)
2478 {
2479     int t;
2480
2481     for (t = 0; t < WARP_SIZE; t++)
2482     {
2483         /* Turn all interaction bits on */
2484         excl->pair[t] = NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL;
2485     }
2486 }
2487
2488 /* Initializes a single nbnxn_pairlist_t data structure */
2489 static void nbnxn_init_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2490                                 gmx_bool          bSimple,
2491                                 nbnxn_alloc_t    *alloc,
2492                                 nbnxn_free_t     *free)
2493 {
2494     if (alloc == NULL)
2495     {
2496         nbl->alloc = nbnxn_alloc_aligned;
2497     }
2498     else
2499     {
2500         nbl->alloc = alloc;
2501     }
2502     if (free == NULL)
2503     {
2504         nbl->free = nbnxn_free_aligned;
2505     }
2506     else
2507     {
2508         nbl->free = free;
2509     }
2510
2511     nbl->bSimple     = bSimple;
2512     nbl->na_sc       = 0;
2513     nbl->na_ci       = 0;
2514     nbl->na_cj       = 0;
2515     nbl->nci         = 0;
2516     nbl->ci          = NULL;
2517     nbl->ci_nalloc   = 0;
2518     nbl->ncj         = 0;
2519     nbl->cj          = NULL;
2520     nbl->cj_nalloc   = 0;
2521     nbl->ncj4        = 0;
2522     /* We need one element extra in sj, so alloc initially with 1 */
2523     nbl->cj4_nalloc  = 0;
2524     nbl->cj4         = NULL;
2525     nbl->nci_tot     = 0;
2526
2527     if (!nbl->bSimple)
2528     {
2529         nbl->excl        = NULL;
2530         nbl->excl_nalloc = 0;
2531         nbl->nexcl       = 0;
2532         check_excl_space(nbl, 1);
2533         nbl->nexcl       = 1;
2534         set_no_excls(&nbl->excl[0]);
2535     }
2536
2537     snew(nbl->work, 1);
2538     if (nbl->bSimple)
2539     {
2540         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, 1, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2541     }
2542     else
2543     {
2544 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2545         snew_aligned(nbl->work->pbb_ci, GPU_NSUBCELL/STRIDE_PBB*NNBSBB_XXXX, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2546 #else
2547         snew_aligned(nbl->work->bb_ci, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2548 #endif
2549     }
2550     snew_aligned(nbl->work->x_ci, NBNXN_NA_SC_MAX*DIM, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2551 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2552     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_4xn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2553     snew_aligned(nbl->work->x_ci_simd_2xnn, 1, NBNXN_MEM_ALIGN);
2554 #endif
2555     snew_aligned(nbl->work->d2, GPU_NSUBCELL, NBNXN_SEARCH_BB_MEM_ALIGN);
2556
2557     nbl->work->sort            = NULL;
2558     nbl->work->sort_nalloc     = 0;
2559     nbl->work->sci_sort        = NULL;
2560     nbl->work->sci_sort_nalloc = 0;
2561 }
2562
2563 void nbnxn_init_pairlist_set(nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
2564                              gmx_bool bSimple, gmx_bool bCombined,
2565                              nbnxn_alloc_t *alloc,
2566                              nbnxn_free_t  *free)
2567 {
2568     int i;
2569
2570     nbl_list->bSimple   = bSimple;
2571     nbl_list->bCombined = bCombined;
2572
2573     nbl_list->nnbl = gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded);
2574
2575     if (!nbl_list->bCombined &&
2576         nbl_list->nnbl > NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS)
2577     {
2578         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.",
2579                   nbl_list->nnbl, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS, NBNXN_BUFFERFLAG_MAX_THREADS);
2580     }
2581
2582     snew(nbl_list->nbl, nbl_list->nnbl);
2583     snew(nbl_list->nbl_fep, nbl_list->nnbl);
2584     /* Execute in order to avoid memory interleaving between threads */
2585 #pragma omp parallel for num_threads(nbl_list->nnbl) schedule(static)
2586     for (i = 0; i < nbl_list->nnbl; i++)
2587     {
2588         /* Allocate the nblist data structure locally on each thread
2589          * to optimize memory access for NUMA architectures.
2590          */
2591         snew(nbl_list->nbl[i], 1);
2592
2593         /* Only list 0 is used on the GPU, use normal allocation for i>0 */
2594         if (i == 0)
2595         {
2596             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, alloc, free);
2597         }
2598         else
2599         {
2600             nbnxn_init_pairlist(nbl_list->nbl[i], nbl_list->bSimple, NULL, NULL);
2601         }
2602
2603         snew(nbl_list->nbl_fep[i], 1);
2604         nbnxn_init_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[i]);
2605     }
2606 }
2607
2608 /* Print statistics of a pair list, used for debug output */
2609 static void print_nblist_statistics_simple(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2610                                            const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2611 {
2612     const nbnxn_grid_t *grid;
2613     int                 cs[SHIFTS];
2614     int                 s, i, j;
2615     int                 npexcl;
2616
2617     /* This code only produces correct statistics with domain decomposition */
2618     grid = &nbs->grid[0];
2619
2620     fprintf(fp, "nbl nci %d ncj %d\n",
2621             nbl->nci, nbl->ncj);
2622     fprintf(fp, "nbl na_sc %d rl %g ncp %d per cell %.1f atoms %.1f ratio %.2f\n",
2623             nbl->na_sc, rl, nbl->ncj, nbl->ncj/(double)grid->nc,
2624             nbl->ncj/(double)grid->nc*grid->na_sc,
2625             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])));
2626
2627     fprintf(fp, "nbl average j cell list length %.1f\n",
2628             0.25*nbl->ncj/(double)max(nbl->nci, 1));
2629
2630     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2631     {
2632         cs[s] = 0;
2633     }
2634     npexcl = 0;
2635     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
2636     {
2637         cs[nbl->ci[i].shift & NBNXN_CI_SHIFT] +=
2638             nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start;
2639
2640         j = nbl->ci[i].cj_ind_start;
2641         while (j < nbl->ci[i].cj_ind_end &&
2642                nbl->cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
2643         {
2644             npexcl++;
2645             j++;
2646         }
2647     }
2648     fprintf(fp, "nbl cell pairs, total: %d excl: %d %.1f%%\n",
2649             nbl->ncj, npexcl, 100*npexcl/(double)max(nbl->ncj, 1));
2650     for (s = 0; s < SHIFTS; s++)
2651     {
2652         if (cs[s] > 0)
2653         {
2654             fprintf(fp, "nbl shift %2d ncj %3d\n", s, cs[s]);
2655         }
2656     }
2657 }
2658
2659 /* Print statistics of a pair lists, used for debug output */
2660 static void print_nblist_statistics_supersub(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl,
2661                                              const nbnxn_search_t nbs, real rl)
2662 {
2663     const nbnxn_grid_t *grid;
2664     int                 i, j4, j, si, b;
2665     int                 c[GPU_NSUBCELL+1];
2666     double              sum_nsp, sum_nsp2;
2667     int                 nsp_max;
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     sum_nsp  = 0;
2680     sum_nsp2 = 0;
2681     nsp_max  = 0;
2682     for (si = 0; si <= GPU_NSUBCELL; si++)
2683     {
2684         c[si] = 0;
2685     }
2686     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
2687     {
2688         int nsp;
2689
2690         nsp = 0;
2691         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
2692         {
2693             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
2694             {
2695                 b = 0;
2696                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
2697                 {
2698                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
2699                     {
2700                         b++;
2701                     }
2702                 }
2703                 nsp += b;
2704                 c[b]++;
2705             }
2706         }
2707         sum_nsp  += nsp;
2708         sum_nsp2 += nsp*nsp;
2709         nsp_max   = max(nsp_max, nsp);
2710     }
2711     if (nbl->nsci > 0)
2712     {
2713         sum_nsp  /= nbl->nsci;
2714         sum_nsp2 /= nbl->nsci;
2715     }
2716     fprintf(fp, "nbl #cluster-pairs: av %.1f stddev %.1f max %d\n",
2717             sum_nsp, sqrt(sum_nsp2 - sum_nsp*sum_nsp), nsp_max);
2718
2719     if (nbl->ncj4 > 0)
2720     {
2721         for (b = 0; b <= GPU_NSUBCELL; b++)
2722         {
2723             fprintf(fp, "nbl j-list #i-subcell %d %7d %4.1f\n",
2724                     b, c[b],
2725                     100.0*c[b]/(double)(nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE));
2726         }
2727     }
2728 }
2729
2730 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp */
2731 static void low_get_nbl_exclusions(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2732                                    int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2733 {
2734     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2735     {
2736         /* No exclusions set, make a new list entry */
2737         nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind = nbl->nexcl;
2738         nbl->nexcl++;
2739         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2740         set_no_excls(*excl);
2741     }
2742     else
2743     {
2744         /* We already have some exclusions, new ones can be added to the list */
2745         *excl = &nbl->excl[nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind];
2746     }
2747 }
2748
2749 /* Returns a pointer to the exclusion mask for cj4-unit cj4, warp warp,
2750  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2751  */
2752 static void get_nbl_exclusions_1(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2753                                  int warp, nbnxn_excl_t **excl)
2754 {
2755     if (nbl->cj4[cj4].imei[warp].excl_ind == 0)
2756     {
2757         /* We need to make a new list entry, check if we have space */
2758         check_excl_space(nbl, 1);
2759     }
2760     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, warp, excl);
2761 }
2762
2763 /* Returns pointers to the exclusion mask for cj4-unit cj4 for both warps,
2764  * generates a new element and allocates extra memory, if necessary.
2765  */
2766 static void get_nbl_exclusions_2(nbnxn_pairlist_t *nbl, int cj4,
2767                                  nbnxn_excl_t **excl_w0,
2768                                  nbnxn_excl_t **excl_w1)
2769 {
2770     /* Check for space we might need */
2771     check_excl_space(nbl, 2);
2772
2773     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 0, excl_w0);
2774     low_get_nbl_exclusions(nbl, cj4, 1, excl_w1);
2775 }
2776
2777 /* Sets the self exclusions i=j and pair exclusions i>j */
2778 static void set_self_and_newton_excls_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
2779                                                int cj4_ind, int sj_offset,
2780                                                int si)
2781 {
2782     nbnxn_excl_t *excl[2];
2783     int           ei, ej, w;
2784
2785     /* Here we only set the set self and double pair exclusions */
2786
2787     get_nbl_exclusions_2(nbl, cj4_ind, &excl[0], &excl[1]);
2788
2789     /* Only minor < major bits set */
2790     for (ej = 0; ej < nbl->na_ci; ej++)
2791     {
2792         w = (ej>>2);
2793         for (ei = ej; ei < nbl->na_ci; ei++)
2794         {
2795             excl[w]->pair[(ej & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1))*nbl->na_ci + ei] &=
2796                 ~(1U << (sj_offset*GPU_NSUBCELL + si));
2797         }
2798     }
2799 }
2800
2801 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for plain C lists */
2802 static unsigned int get_imask(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2803 {
2804     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2805 }
2806
2807 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=2 */
2808 static unsigned int get_imask_simd_j2(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2809 {
2810     return (rdiag && ci*2 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_0 :
2811             (rdiag && ci*2+1 == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J2_1 :
2812              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2813 }
2814
2815 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=4 */
2816 static unsigned int get_imask_simd_j4(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2817 {
2818     return (rdiag && ci == cj ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG : NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL);
2819 }
2820
2821 /* Returns a diagonal or off-diagonal interaction mask for cj-size=8 */
2822 static unsigned int get_imask_simd_j8(gmx_bool rdiag, int ci, int cj)
2823 {
2824     return (rdiag && ci == cj*2 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_0 :
2825             (rdiag && ci == cj*2+1 ? NBNXN_INTERACTION_MASK_DIAG_J8_1 :
2826              NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL));
2827 }
2828
2829 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD
2830 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 2
2831 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j2
2832 #endif
2833 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 4
2834 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j4
2835 #endif
2836 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 8
2837 #define get_imask_simd_4xn  get_imask_simd_j8
2838 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j4
2839 #endif
2840 #if GMX_SIMD_REAL_WIDTH == 16
2841 #define get_imask_simd_2xnn get_imask_simd_j8
2842 #endif
2843 #endif
2844
2845 /* Plain C code for making a pair list of cell ci vs cell cjf-cjl.
2846  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2847  */
2848 static void make_cluster_list_simple(const nbnxn_grid_t *gridj,
2849                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
2850                                      int ci, int cjf, int cjl,
2851                                      gmx_bool remove_sub_diag,
2852                                      const real *x_j,
2853                                      real rl2, float rbb2,
2854                                      int *ndistc)
2855 {
2856     const nbnxn_list_work_t *work;
2857
2858     const nbnxn_bb_t        *bb_ci;
2859     const real              *x_ci;
2860
2861     gmx_bool                 InRange;
2862     real                     d2;
2863     int                      cjf_gl, cjl_gl, cj;
2864
2865     work = nbl->work;
2866
2867     bb_ci = nbl->work->bb_ci;
2868     x_ci  = nbl->work->x_ci;
2869
2870     InRange = FALSE;
2871     while (!InRange && cjf <= cjl)
2872     {
2873         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjf, gridj->bb);
2874         *ndistc += 2;
2875
2876         /* Check if the distance is within the distance where
2877          * we use only the bounding box distance rbb,
2878          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2879          * within the cut-off.
2880          */
2881         if (d2 < rbb2)
2882         {
2883             InRange = TRUE;
2884         }
2885         else if (d2 < rl2)
2886         {
2887             int i, j;
2888
2889             cjf_gl = gridj->cell0 + cjf;
2890             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2891             {
2892                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2893                 {
2894                     InRange = InRange ||
2895                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2896                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2897                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjf_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2898                 }
2899             }
2900             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2901         }
2902         if (!InRange)
2903         {
2904             cjf++;
2905         }
2906     }
2907     if (!InRange)
2908     {
2909         return;
2910     }
2911
2912     InRange = FALSE;
2913     while (!InRange && cjl > cjf)
2914     {
2915         d2       = subc_bb_dist2(0, bb_ci, cjl, gridj->bb);
2916         *ndistc += 2;
2917
2918         /* Check if the distance is within the distance where
2919          * we use only the bounding box distance rbb,
2920          * or within the cut-off and there is at least one atom pair
2921          * within the cut-off.
2922          */
2923         if (d2 < rbb2)
2924         {
2925             InRange = TRUE;
2926         }
2927         else if (d2 < rl2)
2928         {
2929             int i, j;
2930
2931             cjl_gl = gridj->cell0 + cjl;
2932             for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE && !InRange; i++)
2933             {
2934                 for (j = 0; j < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; j++)
2935                 {
2936                     InRange = InRange ||
2937                         (sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+XX]) +
2938                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+YY]) +
2939                          sqr(x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] - x_j[(cjl_gl*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE+j)*STRIDE_XYZ+ZZ]) < rl2);
2940                 }
2941             }
2942             *ndistc += NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
2943         }
2944         if (!InRange)
2945         {
2946             cjl--;
2947         }
2948     }
2949
2950     if (cjf <= cjl)
2951     {
2952         for (cj = cjf; cj <= cjl; cj++)
2953         {
2954             /* Store cj and the interaction mask */
2955             nbl->cj[nbl->ncj].cj   = gridj->cell0 + cj;
2956             nbl->cj[nbl->ncj].excl = get_imask(remove_sub_diag, ci, cj);
2957             nbl->ncj++;
2958         }
2959         /* Increase the closing index in i super-cell list */
2960         nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end = nbl->ncj;
2961     }
2962 }
2963
2964 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
2965 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_4xn.h"
2966 #endif
2967 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
2968 #include "gromacs/mdlib/nbnxn_search_simd_2xnn.h"
2969 #endif
2970
2971 /* Plain C or SIMD4 code for making a pair list of super-cell sci vs scj.
2972  * Checks bounding box distances and possibly atom pair distances.
2973  */
2974 static void make_cluster_list_supersub(const nbnxn_grid_t *gridi,
2975                                        const nbnxn_grid_t *gridj,
2976                                        nbnxn_pairlist_t *nbl,
2977                                        int sci, int scj,
2978                                        gmx_bool sci_equals_scj,
2979                                        int stride, const real *x,
2980                                        real rl2, float rbb2,
2981                                        int *ndistc)
2982 {
2983     int               na_c;
2984     int               npair;
2985     int               cjo, ci1, ci, cj, cj_gl;
2986     int               cj4_ind, cj_offset;
2987     unsigned int      imask;
2988     nbnxn_cj4_t      *cj4;
2989 #ifdef NBNXN_BBXXXX
2990     const float      *pbb_ci;
2991 #else
2992     const nbnxn_bb_t *bb_ci;
2993 #endif
2994     const real       *x_ci;
2995     float            *d2l, d2;
2996     int               w;
2997 #define PRUNE_LIST_CPU_ONE
2998 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
2999     int  ci_last = -1;
3000 #endif
3001
3002     d2l = nbl->work->d2;
3003
3004 #ifdef NBNXN_BBXXXX
3005     pbb_ci = nbl->work->pbb_ci;
3006 #else
3007     bb_ci  = nbl->work->bb_ci;
3008 #endif
3009     x_ci   = nbl->work->x_ci;
3010
3011     na_c = gridj->na_c;
3012
3013     for (cjo = 0; cjo < gridj->nsubc[scj]; cjo++)
3014     {
3015         cj4_ind   = (nbl->work->cj_ind >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3016         cj_offset = nbl->work->cj_ind - cj4_ind*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3017         cj4       = &nbl->cj4[cj4_ind];
3018
3019         cj = scj*GPU_NSUBCELL + cjo;
3020
3021         cj_gl = gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cj;
3022
3023         /* Initialize this j-subcell i-subcell list */
3024         cj4->cj[cj_offset] = cj_gl;
3025         imask              = 0;
3026
3027         if (sci_equals_scj)
3028         {
3029             ci1 = cjo + 1;
3030         }
3031         else
3032         {
3033             ci1 = gridi->nsubc[sci];
3034         }
3035
3036 #ifdef NBNXN_BBXXXX
3037         /* Determine all ci1 bb distances in one call with SIMD4 */
3038         subc_bb_dist2_simd4_xxxx(gridj->pbb+(cj>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX+(cj & (STRIDE_PBB-1)),
3039                                  ci1, pbb_ci, d2l);
3040         *ndistc += na_c*2;
3041 #endif
3042
3043         npair = 0;
3044         /* We use a fixed upper-bound instead of ci1 to help optimization */
3045         for (ci = 0; ci < GPU_NSUBCELL; ci++)
3046         {
3047             if (ci == ci1)
3048             {
3049                 break;
3050             }
3051
3052 #ifndef NBNXN_BBXXXX
3053             /* Determine the bb distance between ci and cj */
3054             d2l[ci]  = subc_bb_dist2(ci, bb_ci, cj, gridj->bb);
3055             *ndistc += 2;
3056 #endif
3057             d2 = d2l[ci];
3058
3059 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ALL
3060             /* Check if the distance is within the distance where
3061              * we use only the bounding box distance rbb,
3062              * or within the cut-off and there is at least one atom pair
3063              * within the cut-off. This check is very costly.
3064              */
3065             *ndistc += na_c*na_c;
3066             if (d2 < rbb2 ||
3067                 (d2 < rl2 &&
3068 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3069                  subc_in_range_simd4
3070 #else
3071                  subc_in_range_x
3072 #endif
3073                      (na_c, ci, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2)))
3074 #else
3075             /* Check if the distance between the two bounding boxes
3076              * in within the pair-list cut-off.
3077              */
3078             if (d2 < rl2)
3079 #endif
3080             {
3081                 /* Flag this i-subcell to be taken into account */
3082                 imask |= (1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci));
3083
3084 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3085                 ci_last = ci;
3086 #endif
3087
3088                 npair++;
3089             }
3090         }
3091
3092 #ifdef PRUNE_LIST_CPU_ONE
3093         /* If we only found 1 pair, check if any atoms are actually
3094          * within the cut-off, so we could get rid of it.
3095          */
3096         if (npair == 1 && d2l[ci_last] >= rbb2)
3097         {
3098             /* Avoid using function pointers here, as it's slower */
3099             if (
3100 #ifdef NBNXN_PBB_SIMD4
3101                 !subc_in_range_simd4
3102 #else
3103                 !subc_in_range_x
3104 #endif
3105                     (na_c, ci_last, x_ci, cj_gl, stride, x, rl2))
3106             {
3107                 imask &= ~(1U << (cj_offset*GPU_NSUBCELL+ci_last));
3108                 npair--;
3109             }
3110         }
3111 #endif
3112
3113         if (npair > 0)
3114         {
3115             /* We have a useful sj entry, close it now */
3116
3117             /* Set the exclucions for the ci== sj entry.
3118              * Here we don't bother to check if this entry is actually flagged,
3119              * as it will nearly always be in the list.
3120              */
3121             if (sci_equals_scj)
3122             {
3123                 set_self_and_newton_excls_supersub(nbl, cj4_ind, cj_offset, cjo);
3124             }
3125
3126             /* Copy the cluster interaction mask to the list */
3127             for (w = 0; w < NWARP; w++)
3128             {
3129                 cj4->imei[w].imask |= imask;
3130             }
3131
3132             nbl->work->cj_ind++;
3133
3134             /* Keep the count */
3135             nbl->nci_tot += npair;
3136
3137             /* Increase the closing index in i super-cell list */
3138             nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end =
3139                 ((nbl->work->cj_ind+NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE-1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
3140         }
3141     }
3142 }
3143
3144 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3145  * as masks in the pair-list for simple list i-entry nbl_ci
3146  */
3147 static void set_ci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3148                              nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3149                              gmx_bool             diagRemoved,
3150                              int                  na_ci_2log,
3151                              int                  na_cj_2log,
3152                              const nbnxn_ci_t    *nbl_ci,
3153                              const t_blocka      *excl)
3154 {
3155     const int    *cell;
3156     int           ci;
3157     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3158     int           cj_first, cj_last;
3159     int           ndirect;
3160     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3161     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3162     int           cj_m;
3163     gmx_bool      Found_si;
3164     int           si_ind;
3165     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3166     int           inner_i, inner_e;
3167
3168     cell = nbs->cell;
3169
3170     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3171     {
3172         /* Empty list */
3173         return;
3174     }
3175
3176     ci = nbl_ci->ci;
3177
3178     cj_ind_first = nbl_ci->cj_ind_start;
3179     cj_ind_last  = nbl->ncj - 1;
3180
3181     cj_first = nbl->cj[cj_ind_first].cj;
3182     cj_last  = nbl->cj[cj_ind_last].cj;
3183
3184     /* Determine how many contiguous j-cells we have starting
3185      * from the first i-cell. This number can be used to directly
3186      * calculate j-cell indices for excluded atoms.
3187      */
3188     ndirect = 0;
3189     if (na_ci_2log == na_cj_2log)
3190     {
3191         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3192                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci + ndirect)
3193         {
3194             ndirect++;
3195         }
3196     }
3197 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
3198     else
3199     {
3200         while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3201                nbl->cj[cj_ind_first+ndirect].cj == ci_to_cj(na_cj_2log, ci) + ndirect)
3202         {
3203             ndirect++;
3204         }
3205     }
3206 #endif
3207
3208     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3209     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3210     {
3211         ai = nbs->a[ci*nbl->na_sc+i];
3212         if (ai >= 0)
3213         {
3214             si  = (i>>na_ci_2log);
3215
3216             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3217             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3218             {
3219                 aj = excl->a[eind];
3220
3221                 if (aj == ai)
3222                 {
3223                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3224                     continue;
3225                 }
3226
3227                 ge = cell[aj];
3228
3229                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3230                  * for one-way pair-lists.
3231                  */
3232                 if (diagRemoved && ge <= ci*nbl->na_sc + i)
3233                 {
3234                     continue;
3235                 }
3236
3237                 se = (ge >> na_cj_2log);
3238
3239                 /* Could the cluster se be in our list? */
3240                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3241                 {
3242                     if (se < cj_first + ndirect)
3243                     {
3244                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3245                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3246                     }
3247                     else
3248                     {
3249                         /* Search for se using bisection */
3250                         found    = -1;
3251                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3252                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3253                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3254                         {
3255                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3256
3257                             cj_m = nbl->cj[cj_ind_m].cj;
3258
3259                             if (se == cj_m)
3260                             {
3261                                 found = cj_ind_m;
3262                             }
3263                             else if (se < cj_m)
3264                             {
3265                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3266                             }
3267                             else
3268                             {
3269                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3270                             }
3271                         }
3272                     }
3273
3274                     if (found >= 0)
3275                     {
3276                         inner_i = i  - (si << na_ci_2log);
3277                         inner_e = ge - (se << na_cj_2log);
3278
3279                         nbl->cj[found].excl &= ~(1U<<((inner_i<<na_cj_2log) + inner_e));
3280                     }
3281                 }
3282             }
3283         }
3284     }
3285 }
3286
3287 /* Add a new i-entry to the FEP list and copy the i-properties */
3288 static gmx_inline void fep_list_new_nri_copy(t_nblist *nlist)
3289 {
3290     /* Add a new i-entry */
3291     nlist->nri++;
3292
3293     assert(nlist->nri < nlist->maxnri);
3294
3295     /* Duplicate the last i-entry, except for jindex, which continues */
3296     nlist->iinr[nlist->nri]   = nlist->iinr[nlist->nri-1];
3297     nlist->shift[nlist->nri]  = nlist->shift[nlist->nri-1];
3298     nlist->gid[nlist->nri]    = nlist->gid[nlist->nri-1];
3299     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3300 }
3301
3302 /* For load balancing of the free-energy lists over threads, we set
3303  * the maximum nrj size of an i-entry to 40. This leads to good
3304  * load balancing in the worst case scenario of a single perturbed
3305  * particle on 16 threads, while not introducing significant overhead.
3306  * Note that half of the perturbed pairs will anyhow end up in very small lists,
3307  * since non perturbed i-particles will see few perturbed j-particles).
3308  */
3309 const int max_nrj_fep = 40;
3310
3311 /* Exclude the perturbed pairs from the Verlet list. This is only done to avoid
3312  * singularities for overlapping particles (0/0), since the charges and
3313  * LJ parameters have been zeroed in the nbnxn data structure.
3314  * Simultaneously make a group pair list for the perturbed pairs.
3315  */
3316 static void make_fep_list(const nbnxn_search_t    nbs,
3317                           const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3318                           nbnxn_pairlist_t       *nbl,
3319                           gmx_bool                bDiagRemoved,
3320                           nbnxn_ci_t             *nbl_ci,
3321                           const nbnxn_grid_t     *gridi,
3322                           const nbnxn_grid_t     *gridj,
3323                           t_nblist               *nlist)
3324 {
3325     int      ci, cj_ind_start, cj_ind_end, cj_ind, cja, cjr;
3326     int      nri_max;
3327     int      ngid, gid_i = 0, gid_j, gid;
3328     int      egp_shift, egp_mask;
3329     int      gid_cj = 0;
3330     int      i, j, ind_i, ind_j, ai, aj;
3331     int      nri;
3332     gmx_bool bFEP_i, bFEP_i_all;
3333
3334     if (nbl_ci->cj_ind_end == nbl_ci->cj_ind_start)
3335     {
3336         /* Empty list */
3337         return;
3338     }
3339
3340     ci = nbl_ci->ci;
3341
3342     cj_ind_start = nbl_ci->cj_ind_start;
3343     cj_ind_end   = nbl_ci->cj_ind_end;
3344
3345     /* In worst case we have alternating energy groups
3346      * and create #atom-pair lists, which means we need the size
3347      * of a cluster pair (na_ci*na_cj) times the number of cj's.
3348      */
3349     nri_max = nbl->na_ci*nbl->na_cj*(cj_ind_end - cj_ind_start);
3350     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
3351     {
3352         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
3353         reallocate_nblist(nlist);
3354     }
3355
3356     ngid = nbat->nenergrp;
3357
3358     if (ngid*gridj->na_cj > sizeof(gid_cj)*8)
3359     {
3360         gmx_fatal(FARGS, "The Verlet scheme with %dx%d kernels and free-energy only supports up to %d energy groups",
3361                   gridi->na_c, gridj->na_cj, (sizeof(gid_cj)*8)/gridj->na_cj);
3362     }
3363
3364     egp_shift = nbat->neg_2log;
3365     egp_mask  = (1<<nbat->neg_2log) - 1;
3366
3367     /* Loop over the atoms in the i sub-cell */
3368     bFEP_i_all = TRUE;
3369     for (i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
3370     {
3371         ind_i = ci*nbl->na_ci + i;
3372         ai    = nbs->a[ind_i];
3373         if (ai >= 0)
3374         {
3375             nri                  = nlist->nri;
3376             nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
3377             nlist->iinr[nri]     = ai;
3378             /* The actual energy group pair index is set later */
3379             nlist->gid[nri]      = 0;
3380             nlist->shift[nri]    = nbl_ci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
3381
3382             bFEP_i = gridi->fep[ci - gridi->cell0] & (1 << i);
3383
3384             bFEP_i_all = bFEP_i_all && bFEP_i;
3385
3386             if ((nlist->nrj + cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
3387             {
3388                 nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj_ind_end - cj_ind_start)*nbl->na_cj);
3389                 srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
3390                 srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
3391             }
3392
3393             if (ngid > 1)
3394             {
3395                 gid_i = (nbat->energrp[ci] >> (egp_shift*i)) & egp_mask;
3396             }
3397
3398             for (cj_ind = cj_ind_start; cj_ind < cj_ind_end; cj_ind++)
3399             {
3400                 unsigned int fep_cj;
3401
3402                 cja = nbl->cj[cj_ind].cj;
3403
3404                 if (gridj->na_cj == gridj->na_c)
3405                 {
3406                     cjr    = cja - gridj->cell0;
3407                     fep_cj = gridj->fep[cjr];
3408                     if (ngid > 1)
3409                     {
3410                         gid_cj = nbat->energrp[cja];
3411                     }
3412                 }
3413                 else if (2*gridj->na_cj == gridj->na_c)
3414                 {
3415                     cjr    = cja - gridj->cell0*2;
3416                     /* Extract half of the ci fep/energrp mask */
3417                     fep_cj = (gridj->fep[cjr>>1] >> ((cjr&1)*gridj->na_cj)) & ((1<<gridj->na_cj) - 1);
3418                     if (ngid > 1)
3419                     {
3420                         gid_cj = nbat->energrp[cja>>1] >> ((cja&1)*gridj->na_cj*egp_shift) & ((1<<(gridj->na_cj*egp_shift)) - 1);
3421                     }
3422                 }
3423                 else
3424                 {
3425                     cjr    = cja - (gridj->cell0>>1);
3426                     /* Combine two ci fep masks/energrp */
3427                     fep_cj = gridj->fep[cjr*2] + (gridj->fep[cjr*2+1] << gridj->na_c);
3428                     if (ngid > 1)
3429                     {
3430                         gid_cj = nbat->energrp[cja*2] + (nbat->energrp[cja*2+1] << (gridj->na_c*egp_shift));
3431                     }
3432                 }
3433
3434                 if (bFEP_i || fep_cj != 0)
3435                 {
3436                     for (j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
3437                     {
3438                         /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
3439                         ind_j = cja*nbl->na_cj + j;
3440                         aj    = nbs->a[ind_j];
3441                         if (aj >= 0 &&
3442                             (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
3443                             (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
3444                         {
3445                             if (ngid > 1)
3446                             {
3447                                 gid_j = (gid_cj >> (j*egp_shift)) & egp_mask;
3448                                 gid   = GID(gid_i, gid_j, ngid);
3449
3450                                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri] &&
3451                                     nlist->gid[nri] != gid)
3452                                 {
3453                                     /* Energy group pair changed: new list */
3454                                     fep_list_new_nri_copy(nlist);
3455                                     nri = nlist->nri;
3456                                 }
3457                                 nlist->gid[nri] = gid;
3458                             }
3459
3460                             if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
3461                             {
3462                                 fep_list_new_nri_copy(nlist);
3463                                 nri = nlist->nri;
3464                             }
3465
3466                             /* Add it to the FEP list */
3467                             nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
3468                             nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (nbl->cj[cj_ind].excl >> (i*nbl->na_cj + j)) & 1;
3469                             nlist->nrj++;
3470
3471                             /* Exclude it from the normal list.
3472                              * Note that the charge has been set to zero,
3473                              * but we need to avoid 0/0, as perturbed atoms
3474                              * can be on top of each other.
3475                              */
3476                             nbl->cj[cj_ind].excl &= ~(1U << (i*nbl->na_cj + j));
3477                         }
3478                     }
3479                 }
3480             }
3481
3482             if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3483             {
3484                 /* Actually add this new, non-empty, list */
3485                 nlist->nri++;
3486                 nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3487             }
3488         }
3489     }
3490
3491     if (bFEP_i_all)
3492     {
3493         /* All interactions are perturbed, we can skip this entry */
3494         nbl_ci->cj_ind_end = cj_ind_start;
3495     }
3496 }
3497
3498 /* Return the index of atom a within a cluster */
3499 static gmx_inline int cj_mod_cj4(int cj)
3500 {
3501     return cj & (NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1);
3502 }
3503
3504 /* Convert a j-cluster to a cj4 group */
3505 static gmx_inline int cj_to_cj4(int cj)
3506 {
3507     return cj >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG;
3508 }
3509
3510 /* Return the index of an j-atom within a warp */
3511 static gmx_inline int a_mod_wj(int a)
3512 {
3513     return a & (NBNXN_GPU_CLUSTER_SIZE/2 - 1);
3514 }
3515
3516 /* As make_fep_list above, but for super/sub lists. */
3517 static void make_fep_list_supersub(const nbnxn_search_t    nbs,
3518                                    const nbnxn_atomdata_t *nbat,
3519                                    nbnxn_pairlist_t       *nbl,
3520                                    gmx_bool                bDiagRemoved,
3521                                    const nbnxn_sci_t      *nbl_sci,
3522                                    real                    shx,
3523                                    real                    shy,
3524                                    real                    shz,
3525                                    real                    rlist_fep2,
3526                                    const nbnxn_grid_t     *gridi,
3527                                    const nbnxn_grid_t     *gridj,
3528                                    t_nblist               *nlist)
3529 {
3530     int                sci, cj4_ind_start, cj4_ind_end, cj4_ind, gcj, cjr;
3531     int                nri_max;
3532     int                c, c_abs;
3533     int                i, j, ind_i, ind_j, ai, aj;
3534     int                nri;
3535     gmx_bool           bFEP_i;
3536     real               xi, yi, zi;
3537     const nbnxn_cj4_t *cj4;
3538
3539     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3540     {
3541         /* Empty list */
3542         return;
3543     }
3544
3545     sci = nbl_sci->sci;
3546
3547     cj4_ind_start = nbl_sci->cj4_ind_start;
3548     cj4_ind_end   = nbl_sci->cj4_ind_end;
3549
3550     /* Here we process one super-cell, max #atoms na_sc, versus a list
3551      * cj4 entries, each with max NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE cj's, each
3552      * of size na_cj atoms.
3553      * On the GPU we don't support energy groups (yet).
3554      * So for each of the na_sc i-atoms, we need max one FEP list
3555      * for each max_nrj_fep j-atoms.
3556      */
3557     nri_max = nbl->na_sc*nbl->na_cj*(1 + ((cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE)/max_nrj_fep);
3558     if (nlist->nri + nri_max > nlist->maxnri)
3559     {
3560         nlist->maxnri = over_alloc_large(nlist->nri + nri_max);
3561         reallocate_nblist(nlist);
3562     }
3563
3564     /* Loop over the atoms in the i super-cluster */
3565     for (c = 0; c < GPU_NSUBCELL; c++)
3566     {
3567         c_abs = sci*GPU_NSUBCELL + c;
3568
3569         for (i = 0; i < nbl->na_ci; i++)
3570         {
3571             ind_i = c_abs*nbl->na_ci + i;
3572             ai    = nbs->a[ind_i];
3573             if (ai >= 0)
3574             {
3575                 nri                  = nlist->nri;
3576                 nlist->jindex[nri+1] = nlist->jindex[nri];
3577                 nlist->iinr[nri]     = ai;
3578                 /* With GPUs, energy groups are not supported */
3579                 nlist->gid[nri]      = 0;
3580                 nlist->shift[nri]    = nbl_sci->shift & NBNXN_CI_SHIFT;
3581
3582                 bFEP_i = (gridi->fep[c_abs - gridi->cell0*GPU_NSUBCELL] & (1 << i));
3583
3584                 xi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+XX] + shx;
3585                 yi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+YY] + shy;
3586                 zi = nbat->x[ind_i*nbat->xstride+ZZ] + shz;
3587
3588                 if ((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj > nlist->maxnrj)
3589                 {
3590                     nlist->maxnrj = over_alloc_small((nlist->nrj + cj4_ind_end - cj4_ind_start)*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE*nbl->na_cj);
3591                     srenew(nlist->jjnr,     nlist->maxnrj);
3592                     srenew(nlist->excl_fep, nlist->maxnrj);
3593                 }
3594
3595                 for (cj4_ind = cj4_ind_start; cj4_ind < cj4_ind_end; cj4_ind++)
3596                 {
3597                     cj4 = &nbl->cj4[cj4_ind];
3598
3599                     for (gcj = 0; gcj < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; gcj++)
3600                     {
3601                         unsigned int fep_cj;
3602
3603                         if ((cj4->imei[0].imask & (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c))) == 0)
3604                         {
3605                             /* Skip this ci for this cj */
3606                             continue;
3607                         }
3608
3609                         cjr = cj4->cj[gcj] - gridj->cell0*GPU_NSUBCELL;
3610
3611                         fep_cj = gridj->fep[cjr];
3612
3613                         if (bFEP_i || fep_cj != 0)
3614                         {
3615                             for (j = 0; j < nbl->na_cj; j++)
3616                             {
3617                                 /* Is this interaction perturbed and not excluded? */
3618                                 ind_j = (gridj->cell0*GPU_NSUBCELL + cjr)*nbl->na_cj + j;
3619                                 aj    = nbs->a[ind_j];
3620                                 if (aj >= 0 &&
3621                                     (bFEP_i || (fep_cj & (1 << j))) &&
3622                                     (!bDiagRemoved || ind_j >= ind_i))
3623                                 {
3624                                     nbnxn_excl_t *excl;
3625                                     int           excl_pair;
3626                                     unsigned int  excl_bit;
3627                                     real          dx, dy, dz;
3628
3629                                     get_nbl_exclusions_1(nbl, cj4_ind, j>>2, &excl);
3630
3631                                     excl_pair = a_mod_wj(j)*nbl->na_ci + i;
3632                                     excl_bit  = (1U << (gcj*GPU_NSUBCELL + c));
3633
3634                                     dx = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+XX] - xi;
3635                                     dy = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+YY] - yi;
3636                                     dz = nbat->x[ind_j*nbat->xstride+ZZ] - zi;
3637
3638                                     /* The unpruned GPU list has more than 2/3
3639                                      * of the atom pairs beyond rlist. Using
3640                                      * this list will cause a lot of overhead
3641                                      * in the CPU FEP kernels, especially
3642                                      * relative to the fast GPU kernels.
3643                                      * So we prune the FEP list here.
3644                                      */
3645                                     if (dx*dx + dy*dy + dz*dz < rlist_fep2)
3646                                     {
3647                                         if (nlist->nrj - nlist->jindex[nri] >= max_nrj_fep)
3648                                         {
3649                                             fep_list_new_nri_copy(nlist);
3650                                             nri = nlist->nri;
3651                                         }
3652
3653                                         /* Add it to the FEP list */
3654                                         nlist->jjnr[nlist->nrj]     = aj;
3655                                         nlist->excl_fep[nlist->nrj] = (excl->pair[excl_pair] & excl_bit) ? 1 : 0;
3656                                         nlist->nrj++;
3657                                     }
3658
3659                                     /* Exclude it from the normal list.
3660                                      * Note that the charge and LJ parameters have
3661                                      * been set to zero, but we need to avoid 0/0,
3662                                      * as perturbed atoms can be on top of each other.
3663                                      */
3664                                     excl->pair[excl_pair] &= ~excl_bit;
3665                                 }
3666                             }
3667
3668                             /* Note that we could mask out this pair in imask
3669                              * if all i- and/or all j-particles are perturbed.
3670                              * But since the perturbed pairs on the CPU will
3671                              * take an order of magnitude more time, the GPU
3672                              * will finish before the CPU and there is no gain.
3673                              */
3674                         }
3675                     }
3676                 }
3677
3678                 if (nlist->nrj > nlist->jindex[nri])
3679                 {
3680                     /* Actually add this new, non-empty, list */
3681                     nlist->nri++;
3682                     nlist->jindex[nlist->nri] = nlist->nrj;
3683                 }
3684             }
3685         }
3686     }
3687 }
3688
3689 /* Set all atom-pair exclusions from the topology stored in excl
3690  * as masks in the pair-list for i-super-cell entry nbl_sci
3691  */
3692 static void set_sci_top_excls(const nbnxn_search_t nbs,
3693                               nbnxn_pairlist_t    *nbl,
3694                               gmx_bool             diagRemoved,
3695                               int                  na_c_2log,
3696                               const nbnxn_sci_t   *nbl_sci,
3697                               const t_blocka      *excl)
3698 {
3699     const int    *cell;
3700     int           na_c;
3701     int           sci;
3702     int           cj_ind_first, cj_ind_last;
3703     int           cj_first, cj_last;
3704     int           ndirect;
3705     int           i, ai, aj, si, eind, ge, se;
3706     int           found, cj_ind_0, cj_ind_1, cj_ind_m;
3707     int           cj_m;
3708     gmx_bool      Found_si;
3709     int           si_ind;
3710     nbnxn_excl_t *nbl_excl;
3711     int           inner_i, inner_e, w;
3712
3713     cell = nbs->cell;
3714
3715     na_c = nbl->na_ci;
3716
3717     if (nbl_sci->cj4_ind_end == nbl_sci->cj4_ind_start)
3718     {
3719         /* Empty list */
3720         return;
3721     }
3722
3723     sci = nbl_sci->sci;
3724
3725     cj_ind_first = nbl_sci->cj4_ind_start*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
3726     cj_ind_last  = nbl->work->cj_ind - 1;
3727
3728     cj_first = nbl->cj4[nbl_sci->cj4_ind_start].cj[0];
3729     cj_last  = nbl_cj(nbl, cj_ind_last);
3730
3731     /* Determine how many contiguous j-clusters we have starting
3732      * from the first i-cluster. This number can be used to directly
3733      * calculate j-cluster indices for excluded atoms.
3734      */
3735     ndirect = 0;
3736     while (cj_ind_first + ndirect <= cj_ind_last &&
3737            nbl_cj(nbl, cj_ind_first+ndirect) == sci*GPU_NSUBCELL + ndirect)
3738     {
3739         ndirect++;
3740     }
3741
3742     /* Loop over the atoms in the i super-cell */
3743     for (i = 0; i < nbl->na_sc; i++)
3744     {
3745         ai = nbs->a[sci*nbl->na_sc+i];
3746         if (ai >= 0)
3747         {
3748             si  = (i>>na_c_2log);
3749
3750             /* Loop over the topology-based exclusions for this i-atom */
3751             for (eind = excl->index[ai]; eind < excl->index[ai+1]; eind++)
3752             {
3753                 aj = excl->a[eind];
3754
3755                 if (aj == ai)
3756                 {
3757                     /* The self exclusion are already set, save some time */
3758                     continue;
3759                 }
3760
3761                 ge = cell[aj];
3762
3763                 /* Without shifts we only calculate interactions j>i
3764                  * for one-way pair-lists.
3765                  */
3766                 if (diagRemoved && ge <= sci*nbl->na_sc + i)
3767                 {
3768                     continue;
3769                 }
3770
3771                 se = ge>>na_c_2log;
3772                 /* Could the cluster se be in our list? */
3773                 if (se >= cj_first && se <= cj_last)
3774                 {
3775                     if (se < cj_first + ndirect)
3776                     {
3777                         /* We can calculate cj_ind directly from se */
3778                         found = cj_ind_first + se - cj_first;
3779                     }
3780                     else
3781                     {
3782                         /* Search for se using bisection */
3783                         found    = -1;
3784                         cj_ind_0 = cj_ind_first + ndirect;
3785                         cj_ind_1 = cj_ind_last + 1;
3786                         while (found == -1 && cj_ind_0 < cj_ind_1)
3787                         {
3788                             cj_ind_m = (cj_ind_0 + cj_ind_1)>>1;
3789
3790                             cj_m = nbl_cj(nbl, cj_ind_m);
3791
3792                             if (se == cj_m)
3793                             {
3794                                 found = cj_ind_m;
3795                             }
3796                             else if (se < cj_m)
3797                             {
3798                                 cj_ind_1 = cj_ind_m;
3799                             }
3800                             else
3801                             {
3802                                 cj_ind_0 = cj_ind_m + 1;
3803                             }
3804                         }
3805                     }
3806
3807                     if (found >= 0)
3808                     {
3809                         inner_i = i  - si*na_c;
3810                         inner_e = ge - se*na_c;
3811
3812                         if (nbl_imask0(nbl, found) & (1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si)))
3813                         {
3814                             w       = (inner_e >> 2);
3815
3816                             get_nbl_exclusions_1(nbl, cj_to_cj4(found), w, &nbl_excl);
3817
3818                             nbl_excl->pair[a_mod_wj(inner_e)*nbl->na_ci+inner_i] &=
3819                                 ~(1U << (cj_mod_cj4(found)*GPU_NSUBCELL + si));
3820                         }
3821                     }
3822                 }
3823             }
3824         }
3825     }
3826 }
3827
3828 /* Reallocate the simple ci list for at least n entries */
3829 static void nb_realloc_ci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3830 {
3831     nbl->ci_nalloc = over_alloc_small(n);
3832     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->ci,
3833                        nbl->nci*sizeof(*nbl->ci),
3834                        nbl->ci_nalloc*sizeof(*nbl->ci),
3835                        nbl->alloc, nbl->free);
3836 }
3837
3838 /* Reallocate the super-cell sci list for at least n entries */
3839 static void nb_realloc_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl, int n)
3840 {
3841     nbl->sci_nalloc = over_alloc_small(n);
3842     nbnxn_realloc_void((void **)&nbl->sci,
3843                        nbl->nsci*sizeof(*nbl->sci),
3844                        nbl->sci_nalloc*sizeof(*nbl->sci),
3845                        nbl->alloc, nbl->free);
3846 }
3847
3848 /* Make a new ci entry at index nbl->nci */
3849 static void new_ci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int ci, int shift, int flags)
3850 {
3851     if (nbl->nci + 1 > nbl->ci_nalloc)
3852     {
3853         nb_realloc_ci(nbl, nbl->nci+1);
3854     }
3855     nbl->ci[nbl->nci].ci            = ci;
3856     nbl->ci[nbl->nci].shift         = shift;
3857     /* Store the interaction flags along with the shift */
3858     nbl->ci[nbl->nci].shift        |= flags;
3859     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start  = nbl->ncj;
3860     nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end    = nbl->ncj;
3861 }
3862
3863 /* Make a new sci entry at index nbl->nsci */
3864 static void new_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl, int sci, int shift)
3865 {
3866     if (nbl->nsci + 1 > nbl->sci_nalloc)
3867     {
3868         nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
3869     }
3870     nbl->sci[nbl->nsci].sci           = sci;
3871     nbl->sci[nbl->nsci].shift         = shift;
3872     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start = nbl->ncj4;
3873     nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end   = nbl->ncj4;
3874 }
3875
3876 /* Sort the simple j-list cj on exclusions.
3877  * Entries with exclusions will all be sorted to the beginning of the list.
3878  */
3879 static void sort_cj_excl(nbnxn_cj_t *cj, int ncj,
3880                          nbnxn_list_work_t *work)
3881 {
3882     int jnew, j;
3883
3884     if (ncj > work->cj_nalloc)
3885     {
3886         work->cj_nalloc = over_alloc_large(ncj);
3887         srenew(work->cj, work->cj_nalloc);
3888     }
3889
3890     /* Make a list of the j-cells involving exclusions */
3891     jnew = 0;
3892     for (j = 0; j < ncj; j++)
3893     {
3894         if (cj[j].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3895         {
3896             work->cj[jnew++] = cj[j];
3897         }
3898     }
3899     /* Check if there are exclusions at all or not just the first entry */
3900     if (!((jnew == 0) ||
3901           (jnew == 1 && cj[0].excl != NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)))
3902     {
3903         for (j = 0; j < ncj; j++)
3904         {
3905             if (cj[j].excl == NBNXN_INTERACTION_MASK_ALL)
3906             {
3907                 work->cj[jnew++] = cj[j];
3908             }
3909         }
3910         for (j = 0; j < ncj; j++)
3911         {
3912             cj[j] = work->cj[j];
3913         }
3914     }
3915 }
3916
3917 /* Close this simple list i entry */
3918 static void close_ci_entry_simple(nbnxn_pairlist_t *nbl)
3919 {
3920     int jlen;
3921
3922     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
3923      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
3924      */
3925     jlen = nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_end - nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start;
3926     if (jlen > 0)
3927     {
3928         sort_cj_excl(nbl->cj+nbl->ci[nbl->nci].cj_ind_start, jlen, nbl->work);
3929
3930         /* The counts below are used for non-bonded pair/flop counts
3931          * and should therefore match the available kernel setups.
3932          */
3933         if (!(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_COUL(0)))
3934         {
3935             nbl->work->ncj_noq += jlen;
3936         }
3937         else if ((nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_HALF_LJ(0)) ||
3938                  !(nbl->ci[nbl->nci].shift & NBNXN_CI_DO_LJ(0)))
3939         {
3940             nbl->work->ncj_hlj += jlen;
3941         }
3942
3943         nbl->nci++;
3944     }
3945 }
3946
3947 /* Split sci entry for load balancing on the GPU.
3948  * Splitting ensures we have enough lists to fully utilize the whole GPU.
3949  * With progBal we generate progressively smaller lists, which improves
3950  * load balancing. As we only know the current count on our own thread,
3951  * we will need to estimate the current total amount of i-entries.
3952  * As the lists get concatenated later, this estimate depends
3953  * both on nthread and our own thread index.
3954  */
3955 static void split_sci_entry(nbnxn_pairlist_t *nbl,
3956                             int nsp_target_av,
3957                             gmx_bool progBal, int nsp_tot_est,
3958                             int thread, int nthread)
3959 {
3960     int nsp_est;
3961     int nsp_max;
3962     int cj4_start, cj4_end, j4len, cj4;
3963     int sci;
3964     int nsp, nsp_sci, nsp_cj4, nsp_cj4_e, nsp_cj4_p;
3965     int p;
3966
3967     if (progBal)
3968     {
3969         /* Estimate the total numbers of ci's of the nblist combined
3970          * over all threads using the target number of ci's.
3971          */
3972         nsp_est = (nsp_tot_est*thread)/nthread + nbl->nci_tot;
3973
3974         /* The first ci blocks should be larger, to avoid overhead.
3975          * The last ci blocks should be smaller, to improve load balancing.
3976          * The factor 3/2 makes the first block 3/2 times the target average
3977          * and ensures that the total number of blocks end up equal to
3978          * that with of equally sized blocks of size nsp_target_av.
3979          */
3980         nsp_max = nsp_target_av*nsp_tot_est*3/(2*(nsp_est + nsp_tot_est));
3981     }
3982     else
3983     {
3984         nsp_max = nsp_target_av;
3985     }
3986
3987     /* Since nsp_max is a maximum/cut-off (this avoids high outliers,
3988      * which lead to load imbalance), not an average, we add half the
3989      * number of pairs in a cj4 block to get the average about right.
3990      */
3991     nsp_max += GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE/2;
3992
3993     cj4_start = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_start;
3994     cj4_end   = nbl->sci[nbl->nsci-1].cj4_ind_end;
3995     j4len     = cj4_end - cj4_start;
3996
3997     if (j4len > 1 && j4len*GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE > nsp_max)
3998     {
3999         /* Remove the last ci entry and process the cj4's again */
4000         nbl->nsci -= 1;
4001
4002         sci        = nbl->nsci;
4003         nsp        = 0;
4004         nsp_sci    = 0;
4005         nsp_cj4_e  = 0;
4006         nsp_cj4    = 0;
4007         for (cj4 = cj4_start; cj4 < cj4_end; cj4++)
4008         {
4009             nsp_cj4_p = nsp_cj4;
4010             /* Count the number of cluster pairs in this cj4 group */
4011             nsp_cj4   = 0;
4012             for (p = 0; p < GPU_NSUBCELL*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; p++)
4013             {
4014                 nsp_cj4 += (nbl->cj4[cj4].imei[0].imask >> p) & 1;
4015             }
4016
4017             if (nsp_cj4 > 0 && nsp + nsp_cj4 > nsp_max)
4018             {
4019                 /* Split the list at cj4 */
4020                 nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4;
4021                 /* Create a new sci entry */
4022                 sci++;
4023                 nbl->nsci++;
4024                 if (nbl->nsci+1 > nbl->sci_nalloc)
4025                 {
4026                     nb_realloc_sci(nbl, nbl->nsci+1);
4027                 }
4028                 nbl->sci[sci].sci           = nbl->sci[nbl->nsci-1].sci;
4029                 nbl->sci[sci].shift         = nbl->sci[nbl->nsci-1].shift;
4030                 nbl->sci[sci].cj4_ind_start = cj4;
4031                 nsp_sci                     = nsp;
4032                 nsp_cj4_e                   = nsp_cj4_p;
4033                 nsp                         = 0;
4034             }
4035             nsp += nsp_cj4;
4036         }
4037
4038         /* Put the remaining cj4's in the last sci entry */
4039         nbl->sci[sci].cj4_ind_end = cj4_end;
4040
4041         /* Possibly balance out the last two sci's
4042          * by moving the last cj4 of the second last sci.
4043          */
4044         if (nsp_sci - nsp_cj4_e >= nsp + nsp_cj4_e)
4045         {
4046             nbl->sci[sci-1].cj4_ind_end--;
4047             nbl->sci[sci].cj4_ind_start--;
4048         }
4049
4050         nbl->nsci++;
4051     }
4052 }
4053
4054 /* Clost this super/sub list i entry */
4055 static void close_ci_entry_supersub(nbnxn_pairlist_t *nbl,
4056                                     int nsp_max_av,
4057                                     gmx_bool progBal, int nsp_tot_est,
4058                                     int thread, int nthread)
4059 {
4060     int j4len, tlen;
4061     int nb, b;
4062
4063     /* All content of the new ci entry have already been filled correctly,
4064      * we only need to increase the count here (for non empty lists).
4065      */
4066     j4len = nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_end - nbl->sci[nbl->nsci].cj4_ind_start;
4067     if (j4len > 0)
4068     {
4069         /* We can only have complete blocks of 4 j-entries in a list,
4070          * so round the count up before closing.
4071          */
4072         nbl->ncj4         = ((nbl->work->cj_ind + NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE - 1) >> NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE_2LOG);
4073         nbl->work->cj_ind = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4074
4075         nbl->nsci++;
4076
4077         if (nsp_max_av > 0)
4078         {
4079             /* Measure the size of the new entry and potentially split it */
4080             split_sci_entry(nbl, nsp_max_av, progBal, nsp_tot_est,
4081                             thread, nthread);
4082         }
4083     }
4084 }
4085
4086 /* Syncs the working array before adding another grid pair to the list */
4087 static void sync_work(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4088 {
4089     if (!nbl->bSimple)
4090     {
4091         nbl->work->cj_ind   = nbl->ncj4*NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE;
4092         nbl->work->cj4_init = nbl->ncj4;
4093     }
4094 }
4095
4096 /* Clears an nbnxn_pairlist_t data structure */
4097 static void clear_pairlist(nbnxn_pairlist_t *nbl)
4098 {
4099     nbl->nci           = 0;
4100     nbl->nsci          = 0;
4101     nbl->ncj           = 0;
4102     nbl->ncj4          = 0;
4103     nbl->nci_tot       = 0;
4104     nbl->nexcl         = 1;
4105
4106     nbl->work->ncj_noq = 0;
4107     nbl->work->ncj_hlj = 0;
4108 }
4109
4110 /* Clears a group scheme pair list */
4111 static void clear_pairlist_fep(t_nblist *nl)
4112 {
4113     nl->nri = 0;
4114     nl->nrj = 0;
4115     if (nl->jindex == NULL)
4116     {
4117         snew(nl->jindex, 1);
4118     }
4119     nl->jindex[0] = 0;
4120 }
4121
4122 /* Sets a simple list i-cell bounding box, including PBC shift */
4123 static gmx_inline void set_icell_bb_simple(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4124                                            real shx, real shy, real shz,
4125                                            nbnxn_bb_t *bb_ci)
4126 {
4127     bb_ci->lower[BB_X] = bb[ci].lower[BB_X] + shx;
4128     bb_ci->lower[BB_Y] = bb[ci].lower[BB_Y] + shy;
4129     bb_ci->lower[BB_Z] = bb[ci].lower[BB_Z] + shz;
4130     bb_ci->upper[BB_X] = bb[ci].upper[BB_X] + shx;
4131     bb_ci->upper[BB_Y] = bb[ci].upper[BB_Y] + shy;
4132     bb_ci->upper[BB_Z] = bb[ci].upper[BB_Z] + shz;
4133 }
4134
4135 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4136 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4137 static void set_icell_bbxxxx_supersub(const float *bb, int ci,
4138                                       real shx, real shy, real shz,
4139                                       float *bb_ci)
4140 {
4141     int ia, m, i;
4142
4143     ia = ci*(GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX;
4144     for (m = 0; m < (GPU_NSUBCELL>>STRIDE_PBB_2LOG)*NNBSBB_XXXX; m += NNBSBB_XXXX)
4145     {
4146         for (i = 0; i < STRIDE_PBB; i++)
4147         {
4148             bb_ci[m+0*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+0*STRIDE_PBB+i] + shx;
4149             bb_ci[m+1*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+1*STRIDE_PBB+i] + shy;
4150             bb_ci[m+2*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+2*STRIDE_PBB+i] + shz;
4151             bb_ci[m+3*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+3*STRIDE_PBB+i] + shx;
4152             bb_ci[m+4*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+4*STRIDE_PBB+i] + shy;
4153             bb_ci[m+5*STRIDE_PBB+i] = bb[ia+m+5*STRIDE_PBB+i] + shz;
4154         }
4155     }
4156 }
4157 #endif
4158
4159 /* Sets a super-cell and sub cell bounding boxes, including PBC shift */
4160 static void set_icell_bb_supersub(const nbnxn_bb_t *bb, int ci,
4161                                   real shx, real shy, real shz,
4162                                   nbnxn_bb_t *bb_ci)
4163 {
4164     int i;
4165
4166     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL; i++)
4167     {
4168         set_icell_bb_simple(bb, ci*GPU_NSUBCELL+i,
4169                             shx, shy, shz,
4170                             &bb_ci[i]);
4171     }
4172 }
4173
4174 /* Copies PBC shifted i-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4175 static void icell_set_x_simple(int ci,
4176                                real shx, real shy, real shz,
4177                                int gmx_unused na_c,
4178                                int stride, const real *x,
4179                                nbnxn_list_work_t *work)
4180 {
4181     int  ia, i;
4182
4183     ia = ci*NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4184
4185     for (i = 0; i < NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE; i++)
4186     {
4187         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+XX] = x[(ia+i)*stride+XX] + shx;
4188         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+YY] = x[(ia+i)*stride+YY] + shy;
4189         work->x_ci[i*STRIDE_XYZ+ZZ] = x[(ia+i)*stride+ZZ] + shz;
4190     }
4191 }
4192
4193 /* Copies PBC shifted super-cell atom coordinates x,y,z to working array */
4194 static void icell_set_x_supersub(int ci,
4195                                  real shx, real shy, real shz,
4196                                  int na_c,
4197                                  int stride, const real *x,
4198                                  nbnxn_list_work_t *work)
4199 {
4200     int   ia, i;
4201     real *x_ci;
4202
4203     x_ci = work->x_ci;
4204
4205     ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c;
4206     for (i = 0; i < GPU_NSUBCELL*na_c; i++)
4207     {
4208         x_ci[i*DIM + XX] = x[(ia+i)*stride + XX] + shx;
4209         x_ci[i*DIM + YY] = x[(ia+i)*stride + YY] + shy;
4210         x_ci[i*DIM + ZZ] = x[(ia+i)*stride + ZZ] + shz;
4211     }
4212 }
4213
4214 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
4215 /* Copies PBC shifted super-cell packed atom coordinates to working array */
4216 static void icell_set_x_supersub_simd4(int ci,
4217                                        real shx, real shy, real shz,
4218                                        int na_c,
4219                                        int stride, const real *x,
4220                                        nbnxn_list_work_t *work)
4221 {
4222     int   si, io, ia, i, j;
4223     real *x_ci;
4224
4225     x_ci = work->x_ci;
4226
4227     for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4228     {
4229         for (i = 0; i < na_c; i += STRIDE_PBB)
4230         {
4231             io = si*na_c + i;
4232             ia = ci*GPU_NSUBCELL*na_c + io;
4233             for (j = 0; j < STRIDE_PBB; j++)
4234             {
4235                 x_ci[io*DIM + j + XX*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+XX] + shx;
4236                 x_ci[io*DIM + j + YY*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+YY] + shy;
4237                 x_ci[io*DIM + j + ZZ*STRIDE_PBB] = x[(ia+j)*stride+ZZ] + shz;
4238             }
4239         }
4240     }
4241 }
4242 #endif
4243
4244 static real minimum_subgrid_size_xy(const nbnxn_grid_t *grid)
4245 {
4246     if (grid->bSimple)
4247     {
4248         return min(grid->sx, grid->sy);
4249     }
4250     else
4251     {
4252         return min(grid->sx/GPU_NSUBCELL_X, grid->sy/GPU_NSUBCELL_Y);
4253     }
4254 }
4255
4256 static real effective_buffer_1x1_vs_MxN(const nbnxn_grid_t *gridi,
4257                                         const nbnxn_grid_t *gridj)
4258 {
4259     const real eff_1x1_buffer_fac_overest = 0.1;
4260
4261     /* Determine an atom-pair list cut-off buffer size for atom pairs,
4262      * to be added to rlist (including buffer) used for MxN.
4263      * This is for converting an MxN list to a 1x1 list. This means we can't
4264      * use the normal buffer estimate, as we have an MxN list in which
4265      * some atom pairs beyond rlist are missing. We want to capture
4266      * the beneficial effect of buffering by extra pairs just outside rlist,
4267      * while removing the useless pairs that are further away from rlist.
4268      * (Also the buffer could have been set manually not using the estimate.)
4269      * This buffer size is an overestimate.
4270      * We add 10% of the smallest grid sub-cell dimensions.
4271      * Note that the z-size differs per cell and we don't use this,
4272      * so we overestimate.
4273      * With PME, the 10% value gives a buffer that is somewhat larger
4274      * than the effective buffer with a tolerance of 0.005 kJ/mol/ps.
4275      * Smaller tolerances or using RF lead to a smaller effective buffer,
4276      * so 10% gives a safe overestimate.
4277      */
4278     return eff_1x1_buffer_fac_overest*(minimum_subgrid_size_xy(gridi) +
4279                                        minimum_subgrid_size_xy(gridj));
4280 }
4281
4282 /* Clusters at the cut-off only increase rlist by 60% of their size */
4283 static real nbnxn_rlist_inc_outside_fac = 0.6;
4284
4285 /* Due to the cluster size the effective pair-list is longer than
4286  * that of a simple atom pair-list. This function gives the extra distance.
4287  */
4288 real nbnxn_get_rlist_effective_inc(int cluster_size_j, real atom_density)
4289 {
4290     int  cluster_size_i;
4291     real vol_inc_i, vol_inc_j;
4292
4293     /* We should get this from the setup, but currently it's the same for
4294      * all setups, including GPUs.
4295      */
4296     cluster_size_i = NBNXN_CPU_CLUSTER_I_SIZE;
4297
4298     vol_inc_i = (cluster_size_i - 1)/atom_density;
4299     vol_inc_j = (cluster_size_j - 1)/atom_density;
4300
4301     return nbnxn_rlist_inc_outside_fac*pow(vol_inc_i + vol_inc_j, 1.0/3.0);
4302 }
4303
4304 /* Estimates the interaction volume^2 for non-local interactions */
4305 static real nonlocal_vol2(const gmx_domdec_zones_t *zones, rvec ls, real r)
4306 {
4307     int  z, d;
4308     real cl, ca, za;
4309     real vold_est;
4310     real vol2_est_tot;
4311
4312     vol2_est_tot = 0;
4313
4314     /* Here we simply add up the volumes of 1, 2 or 3 1D decomposition
4315      * not home interaction volume^2. As these volumes are not additive,
4316      * this is an overestimate, but it would only be significant in the limit
4317      * of small cells, where we anyhow need to split the lists into
4318      * as small parts as possible.
4319      */
4320
4321     for (z = 0; z < zones->n; z++)
4322     {
4323         if (zones->shift[z][XX] + zones->shift[z][YY] + zones->shift[z][ZZ] == 1)
4324         {
4325             cl = 0;
4326             ca = 1;
4327             za = 1;
4328             for (d = 0; d < DIM; d++)
4329             {
4330                 if (zones->shift[z][d] == 0)
4331                 {
4332                     cl += 0.5*ls[d];
4333                     ca *= ls[d];
4334                     za *= zones->size[z].x1[d] - zones->size[z].x0[d];
4335                 }
4336             }
4337
4338             /* 4 octants of a sphere */
4339             vold_est  = 0.25*M_PI*r*r*r*r;
4340             /* 4 quarter pie slices on the edges */
4341             vold_est += 4*cl*M_PI/6.0*r*r*r;
4342             /* One rectangular volume on a face */
4343             vold_est += ca*0.5*r*r;
4344
4345             vol2_est_tot += vold_est*za;
4346         }
4347     }
4348
4349     return vol2_est_tot;
4350 }
4351
4352 /* Estimates the average size of a full j-list for super/sub setup */
4353 static void get_nsubpair_target(const nbnxn_search_t  nbs,
4354                                 int                   iloc,
4355                                 real                  rlist,
4356                                 int                   min_ci_balanced,
4357                                 int                  *nsubpair_target,
4358                                 int                  *nsubpair_tot_est)
4359 {
4360     /* The target value of 36 seems to be the optimum for Kepler.
4361      * Maxwell is less sensitive to the exact value.
4362      */
4363     const int           nsubpair_target_min = 36;
4364     const nbnxn_grid_t *grid;
4365     rvec                ls;
4366     real                xy_diag2, r_eff_sup, vol_est, nsp_est, nsp_est_nl;
4367     int                 nsubpair_max;
4368
4369     grid = &nbs->grid[0];
4370
4371     if (min_ci_balanced <= 0 || grid->nc >= min_ci_balanced || grid->nc == 0)
4372     {
4373         /* We don't need to balance the list sizes */
4374         *nsubpair_target  = 0;
4375         *nsubpair_tot_est = 0;
4376
4377         return;
4378     }
4379
4380     ls[XX] = (grid->c1[XX] - grid->c0[XX])/(grid->ncx*GPU_NSUBCELL_X);
4381     ls[YY] = (grid->c1[YY] - grid->c0[YY])/(grid->ncy*GPU_NSUBCELL_Y);
4382     ls[ZZ] = (grid->c1[ZZ] - grid->c0[ZZ])*grid->ncx*grid->ncy/(grid->nc*GPU_NSUBCELL_Z);
4383
4384     /* The average squared length of the diagonal of a sub cell */
4385     xy_diag2 = ls[XX]*ls[XX] + ls[YY]*ls[YY] + ls[ZZ]*ls[ZZ];
4386
4387     /* The formulas below are a heuristic estimate of the average nsj per si*/
4388     r_eff_sup = rlist + nbnxn_rlist_inc_outside_fac*sqr((grid->na_c - 1.0)/grid->na_c)*sqrt(xy_diag2/3);
4389
4390     if (!nbs->DomDec || nbs->zones->n == 1)
4391     {
4392         nsp_est_nl = 0;
4393     }
4394     else
4395     {
4396         nsp_est_nl =
4397             sqr(grid->atom_density/grid->na_c)*
4398             nonlocal_vol2(nbs->zones, ls, r_eff_sup);
4399     }
4400
4401     if (LOCAL_I(iloc))
4402     {
4403         /* Sub-cell interacts with itself */
4404         vol_est  = ls[XX]*ls[YY]*ls[ZZ];
4405         /* 6/2 rectangular volume on the faces */
4406         vol_est += (ls[XX]*ls[YY] + ls[XX]*ls[ZZ] + ls[YY]*ls[ZZ])*r_eff_sup;
4407         /* 12/2 quarter pie slices on the edges */
4408         vol_est += 2*(ls[XX] + ls[YY] + ls[ZZ])*0.25*M_PI*sqr(r_eff_sup);
4409         /* 4 octants of a sphere */
4410         vol_est += 0.5*4.0/3.0*M_PI*pow(r_eff_sup, 3);
4411
4412         nsp_est = grid->nsubc_tot*vol_est*grid->atom_density/grid->na_c;
4413
4414         /* Subtract the non-local pair count */
4415         nsp_est -= nsp_est_nl;
4416
4417         if (debug)
4418         {
4419             fprintf(debug, "nsp_est local %5.1f non-local %5.1f\n",
4420                     nsp_est, nsp_est_nl);
4421         }
4422     }
4423     else
4424     {
4425         nsp_est = nsp_est_nl;
4426     }
4427
4428     /* Thus the (average) maximum j-list size should be as follows.
4429      * Since there is overhead, we shouldn't make the lists too small
4430      * (and we can't chop up j-groups) so we use a minimum target size of 36.
4431      */
4432     *nsubpair_target  = max(nsubpair_target_min,
4433                             (int)(nsp_est/min_ci_balanced + 0.5));
4434     *nsubpair_tot_est = (int)nsp_est;
4435
4436     if (debug)
4437     {
4438         fprintf(debug, "nbl nsp estimate %.1f, nsubpair_target %d\n",
4439                 nsp_est, *nsubpair_target);
4440     }
4441 }
4442
4443 /* Debug list print function */
4444 static void print_nblist_ci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4445 {
4446     int i, j;
4447
4448     for (i = 0; i < nbl->nci; i++)
4449     {
4450         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj %3d\n",
4451                 nbl->ci[i].ci, nbl->ci[i].shift,
4452                 nbl->ci[i].cj_ind_end - nbl->ci[i].cj_ind_start);
4453
4454         for (j = nbl->ci[i].cj_ind_start; j < nbl->ci[i].cj_ind_end; j++)
4455         {
4456             fprintf(fp, "  cj %5d  imask %x\n",
4457                     nbl->cj[j].cj,
4458                     nbl->cj[j].excl);
4459         }
4460     }
4461 }
4462
4463 /* Debug list print function */
4464 static void print_nblist_sci_cj(FILE *fp, const nbnxn_pairlist_t *nbl)
4465 {
4466     int i, j4, j, ncp, si;
4467
4468     for (i = 0; i < nbl->nsci; i++)
4469     {
4470         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d\n",
4471                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4472                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start);
4473
4474         ncp = 0;
4475         for (j4 = nbl->sci[i].cj4_ind_start; j4 < nbl->sci[i].cj4_ind_end; j4++)
4476         {
4477             for (j = 0; j < NBNXN_GPU_JGROUP_SIZE; j++)
4478             {
4479                 fprintf(fp, "  sj %5d  imask %x\n",
4480                         nbl->cj4[j4].cj[j],
4481                         nbl->cj4[j4].imei[0].imask);
4482                 for (si = 0; si < GPU_NSUBCELL; si++)
4483                 {
4484                     if (nbl->cj4[j4].imei[0].imask & (1U << (j*GPU_NSUBCELL + si)))
4485                     {
4486                         ncp++;
4487                     }
4488                 }
4489             }
4490         }
4491         fprintf(fp, "ci %4d  shift %2d  ncj4 %2d ncp %3d\n",
4492                 nbl->sci[i].sci, nbl->sci[i].shift,
4493                 nbl->sci[i].cj4_ind_end - nbl->sci[i].cj4_ind_start,
4494                 ncp);
4495     }
4496 }
4497
4498 /* Combine pair lists *nbl generated on multiple threads nblc */
4499 static void combine_nblists(int nnbl, nbnxn_pairlist_t **nbl,
4500                             nbnxn_pairlist_t *nblc)
4501 {
4502     int nsci, ncj4, nexcl;
4503     int n, i;
4504     int nthreads gmx_unused;
4505
4506     if (nblc->bSimple)
4507     {
4508         gmx_incons("combine_nblists does not support simple lists");
4509     }
4510
4511     nsci  = nblc->nsci;
4512     ncj4  = nblc->ncj4;
4513     nexcl = nblc->nexcl;
4514     for (i = 0; i < nnbl; i++)
4515     {
4516         nsci  += nbl[i]->nsci;
4517         ncj4  += nbl[i]->ncj4;
4518         nexcl += nbl[i]->nexcl;
4519     }
4520
4521     if (nsci > nblc->sci_nalloc)
4522     {
4523         nb_realloc_sci(nblc, nsci);
4524     }
4525     if (ncj4 > nblc->cj4_nalloc)
4526     {
4527         nblc->cj4_nalloc = over_alloc_small(ncj4);
4528         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->cj4,
4529                            nblc->ncj4*sizeof(*nblc->cj4),
4530                            nblc->cj4_nalloc*sizeof(*nblc->cj4),
4531                            nblc->alloc, nblc->free);
4532     }
4533     if (nexcl > nblc->excl_nalloc)
4534     {
4535         nblc->excl_nalloc = over_alloc_small(nexcl);
4536         nbnxn_realloc_void((void **)&nblc->excl,
4537                            nblc->nexcl*sizeof(*nblc->excl),
4538                            nblc->excl_nalloc*sizeof(*nblc->excl),
4539                            nblc->alloc, nblc->free);
4540     }
4541
4542     /* Each thread should copy its own data to the combined arrays,
4543      * as otherwise data will go back and forth between different caches.
4544      */
4545     nthreads = gmx_omp_nthreads_get(emntPairsearch);
4546 #pragma omp parallel for num_threads(nthreads) schedule(static)
4547     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4548     {
4549         int                     sci_offset;
4550         int                     cj4_offset;
4551         int                     ci_offset;
4552         int                     excl_offset;
4553         int                     i, j4;
4554         const nbnxn_pairlist_t *nbli;
4555
4556         /* Determine the offset in the combined data for our thread */
4557         sci_offset  = nblc->nsci;
4558         cj4_offset  = nblc->ncj4;
4559         ci_offset   = nblc->nci_tot;
4560         excl_offset = nblc->nexcl;
4561
4562         for (i = 0; i < n; i++)
4563         {
4564             sci_offset  += nbl[i]->nsci;
4565             cj4_offset  += nbl[i]->ncj4;
4566             ci_offset   += nbl[i]->nci_tot;
4567             excl_offset += nbl[i]->nexcl;
4568         }
4569
4570         nbli = nbl[n];
4571
4572         for (i = 0; i < nbli->nsci; i++)
4573         {
4574             nblc->sci[sci_offset+i]                = nbli->sci[i];
4575             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_start += cj4_offset;
4576             nblc->sci[sci_offset+i].cj4_ind_end   += cj4_offset;
4577         }
4578
4579         for (j4 = 0; j4 < nbli->ncj4; j4++)
4580         {
4581             nblc->cj4[cj4_offset+j4]                   = nbli->cj4[j4];
4582             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[0].excl_ind += excl_offset;
4583             nblc->cj4[cj4_offset+j4].imei[1].excl_ind += excl_offset;
4584         }
4585
4586         for (j4 = 0; j4 < nbli->nexcl; j4++)
4587         {
4588             nblc->excl[excl_offset+j4] = nbli->excl[j4];
4589         }
4590     }
4591
4592     for (n = 0; n < nnbl; n++)
4593     {
4594         nblc->nsci    += nbl[n]->nsci;
4595         nblc->ncj4    += nbl[n]->ncj4;
4596         nblc->nci_tot += nbl[n]->nci_tot;
4597         nblc->nexcl   += nbl[n]->nexcl;
4598     }
4599 }
4600
4601 static void balance_fep_lists(const nbnxn_search_t  nbs,
4602                               nbnxn_pairlist_set_t *nbl_lists)
4603 {
4604     int       nnbl, th;
4605     int       nri_tot, nrj_tot, nrj_target;
4606     int       th_dest;
4607     t_nblist *nbld;
4608
4609     nnbl = nbl_lists->nnbl;
4610
4611     if (nnbl == 1)
4612     {
4613         /* Nothing to balance */
4614         return;
4615     }
4616
4617     /* Count the total i-lists and pairs */
4618     nri_tot = 0;
4619     nrj_tot = 0;
4620     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4621     {
4622         nri_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nri;
4623         nrj_tot += nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj;
4624     }
4625
4626     nrj_target = (nrj_tot + nnbl - 1)/nnbl;
4627
4628     assert(gmx_omp_nthreads_get(emntNonbonded) == nnbl);
4629
4630 #pragma omp parallel for schedule(static) num_threads(nnbl)
4631     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4632     {
4633         t_nblist *nbl;
4634
4635         nbl = nbs->work[th].nbl_fep;
4636
4637         /* Note that here we allocate for the total size, instead of
4638          * a per-thread esimate (which is hard to obtain).
4639          */
4640         if (nri_tot > nbl->maxnri)
4641         {
4642             nbl->maxnri = over_alloc_large(nri_tot);
4643             reallocate_nblist(nbl);
4644         }
4645         if (nri_tot > nbl->maxnri || nrj_tot > nbl->maxnrj)
4646         {
4647             nbl->maxnrj = over_alloc_small(nrj_tot);
4648             srenew(nbl->jjnr, nbl->maxnrj);
4649             srenew(nbl->excl_fep, nbl->maxnrj);
4650         }
4651
4652         clear_pairlist_fep(nbl);
4653     }
4654
4655     /* Loop over the source lists and assign and copy i-entries */
4656     th_dest = 0;
4657     nbld    = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4658     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4659     {
4660         t_nblist *nbls;
4661         int       i, j;
4662
4663         nbls = nbl_lists->nbl_fep[th];
4664
4665         for (i = 0; i < nbls->nri; i++)
4666         {
4667             int nrj;
4668
4669             /* The number of pairs in this i-entry */
4670             nrj = nbls->jindex[i+1] - nbls->jindex[i];
4671
4672             /* Decide if list th_dest is too large and we should procede
4673              * to the next destination list.
4674              */
4675             if (th_dest+1 < nnbl && nbld->nrj > 0 &&
4676                 nbld->nrj + nrj - nrj_target > nrj_target - nbld->nrj)
4677             {
4678                 th_dest++;
4679                 nbld = nbs->work[th_dest].nbl_fep;
4680             }
4681
4682             nbld->iinr[nbld->nri]  = nbls->iinr[i];
4683             nbld->gid[nbld->nri]   = nbls->gid[i];
4684             nbld->shift[nbld->nri] = nbls->shift[i];
4685
4686             for (j = nbls->jindex[i]; j < nbls->jindex[i+1]; j++)
4687             {
4688                 nbld->jjnr[nbld->nrj]     = nbls->jjnr[j];
4689                 nbld->excl_fep[nbld->nrj] = nbls->excl_fep[j];
4690                 nbld->nrj++;
4691             }
4692             nbld->nri++;
4693             nbld->jindex[nbld->nri] = nbld->nrj;
4694         }
4695     }
4696
4697     /* Swap the list pointers */
4698     for (th = 0; th < nnbl; th++)
4699     {
4700         t_nblist *nbl_tmp;
4701
4702         nbl_tmp                = nbl_lists->nbl_fep[th];
4703         nbl_lists->nbl_fep[th] = nbs->work[th].nbl_fep;
4704         nbs->work[th].nbl_fep  = nbl_tmp;
4705
4706         if (debug)
4707         {
4708             fprintf(debug, "nbl_fep[%d] nri %4d nrj %4d\n",
4709                     th,
4710                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nri,
4711                     nbl_lists->nbl_fep[th]->nrj);
4712         }
4713     }
4714 }
4715
4716 /* Returns the next ci to be processes by our thread */
4717 static gmx_bool next_ci(const nbnxn_grid_t *grid,
4718                         int conv,
4719                         int nth, int ci_block,
4720                         int *ci_x, int *ci_y,
4721                         int *ci_b, int *ci)
4722 {
4723     (*ci_b)++;
4724     (*ci)++;
4725
4726     if (*ci_b == ci_block)
4727     {
4728         /* Jump to the next block assigned to this task */
4729         *ci   += (nth - 1)*ci_block;
4730         *ci_b  = 0;
4731     }
4732
4733     if (*ci >= grid->nc*conv)
4734     {
4735         return FALSE;
4736     }
4737
4738     while (*ci >= grid->cxy_ind[*ci_x*grid->ncy + *ci_y + 1]*conv)
4739     {
4740         *ci_y += 1;
4741         if (*ci_y == grid->ncy)
4742         {
4743             *ci_x += 1;
4744             *ci_y  = 0;
4745         }
4746     }
4747
4748     return TRUE;
4749 }
4750
4751 /* Returns the distance^2 for which we put cell pairs in the list
4752  * without checking atom pair distances. This is usually < rlist^2.
4753  */
4754 static float boundingbox_only_distance2(const nbnxn_grid_t *gridi,
4755                                         const nbnxn_grid_t *gridj,
4756                                         real                rlist,
4757                                         gmx_bool            simple)
4758 {
4759     /* If the distance between two sub-cell bounding boxes is less
4760      * than this distance, do not check the distance between
4761      * all particle pairs in the sub-cell, since then it is likely
4762      * that the box pair has atom pairs within the cut-off.
4763      * We use the nblist cut-off minus 0.5 times the average x/y diagonal
4764      * spacing of the sub-cells. Around 40% of the checked pairs are pruned.
4765      * Using more than 0.5 gains at most 0.5%.
4766      * If forces are calculated more than twice, the performance gain
4767      * in the force calculation outweighs the cost of checking.
4768      * Note that with subcell lists, the atom-pair distance check
4769      * is only performed when only 1 out of 8 sub-cells in within range,
4770      * this is because the GPU is much faster than the cpu.
4771      */
4772     real bbx, bby;
4773     real rbb2;
4774
4775     bbx = 0.5*(gridi->sx + gridj->sx);
4776     bby = 0.5*(gridi->sy + gridj->sy);
4777     if (!simple)
4778     {
4779         bbx /= GPU_NSUBCELL_X;
4780         bby /= GPU_NSUBCELL_Y;
4781     }
4782
4783     rbb2 = sqr(max(0, rlist - 0.5*sqrt(bbx*bbx + bby*bby)));
4784
4785 #ifndef GMX_DOUBLE
4786     return rbb2;
4787 #else
4788     return (float)((1+GMX_FLOAT_EPS)*rbb2);
4789 #endif
4790 }
4791
4792 static int get_ci_block_size(const nbnxn_grid_t *gridi,
4793                              gmx_bool bDomDec, int nth)
4794 {
4795     const int ci_block_enum      = 5;
4796     const int ci_block_denom     = 11;
4797     const int ci_block_min_atoms = 16;
4798     int       ci_block;
4799
4800     /* Here we decide how to distribute the blocks over the threads.
4801      * We use prime numbers to try to avoid that the grid size becomes
4802      * a multiple of the number of threads, which would lead to some
4803      * threads getting "inner" pairs and others getting boundary pairs,
4804      * which in turns will lead to load imbalance between threads.
4805      * Set the block size as 5/11/ntask times the average number of cells
4806      * in a y,z slab. This should ensure a quite uniform distribution
4807      * of the grid parts of the different thread along all three grid
4808      * zone boundaries with 3D domain decomposition. At the same time
4809      * the blocks will not become too small.
4810      */
4811     ci_block = (gridi->nc*ci_block_enum)/(ci_block_denom*gridi->ncx*nth);
4812
4813     /* Ensure the blocks are not too small: avoids cache invalidation */
4814     if (ci_block*gridi->na_sc < ci_block_min_atoms)
4815     {
4816         ci_block = (ci_block_min_atoms + gridi->na_sc - 1)/gridi->na_sc;
4817     }
4818
4819     /* Without domain decomposition
4820      * or with less than 3 blocks per task, divide in nth blocks.
4821      */
4822     if (!bDomDec || nth*3*ci_block > gridi->nc)
4823     {
4824         ci_block = (gridi->nc + nth - 1)/nth;
4825     }
4826
4827     if (ci_block > 1 && (nth - 1)*ci_block >= gridi->nc)
4828     {
4829         /* Some threads have no work. Although reducing the block size
4830          * does not decrease the block count on the first few threads,
4831          * with GPUs better mixing of "upper" cells that have more empty
4832          * clusters results in a somewhat lower max load over all threads.
4833          * Without GPUs the regime of so few atoms per thread is less
4834          * performance relevant, but with 8-wide SIMD the same reasoning
4835          * applies, since the pair list uses 4 i-atom "sub-clusters".
4836          */
4837         ci_block--;
4838     }
4839
4840     return ci_block;
4841 }
4842
4843 /* Generates the part of pair-list nbl assigned to our thread */
4844 static void nbnxn_make_pairlist_part(const nbnxn_search_t nbs,
4845                                      const nbnxn_grid_t *gridi,
4846                                      const nbnxn_grid_t *gridj,
4847                                      nbnxn_search_work_t *work,
4848                                      const nbnxn_atomdata_t *nbat,
4849                                      const t_blocka *excl,
4850                                      real rlist,
4851                                      int nb_kernel_type,
4852                                      int ci_block,
4853                                      gmx_bool bFBufferFlag,
4854                                      int nsubpair_max,
4855                                      gmx_bool progBal,
4856                                      int nsubpair_tot_est,
4857                                      int th, int nth,
4858                                      nbnxn_pairlist_t *nbl,
4859                                      t_nblist *nbl_fep)
4860 {
4861     int               na_cj_2log;
4862     matrix            box;
4863     real              rl2, rl_fep2 = 0;
4864     float             rbb2;
4865     int               d;
4866     int               ci_b, ci, ci_x, ci_y, ci_xy, cj;
4867     ivec              shp;
4868     int               tx, ty, tz;
4869     int               shift;
4870     gmx_bool          bMakeList;
4871     real              shx, shy, shz;
4872     int               conv_i, cell0_i;
4873     const nbnxn_bb_t *bb_i = NULL;
4874 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4875     const float      *pbb_i = NULL;
4876 #endif
4877     const float      *bbcz_i, *bbcz_j;
4878     const int        *flags_i;
4879     real              bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1;
4880     real              bz1_frac;
4881     real              d2cx, d2z, d2z_cx, d2z_cy, d2zx, d2zxy, d2xy;
4882     int               cxf, cxl, cyf, cyf_x, cyl;
4883     int               cx, cy;
4884     int               c0, c1, cs, cf, cl;
4885     int               ndistc;
4886     int               ncpcheck;
4887     int               gridi_flag_shift = 0, gridj_flag_shift = 0;
4888     gmx_bitmask_t    *gridj_flag       = NULL;
4889     int               ncj_old_i, ncj_old_j;
4890
4891     nbs_cycle_start(&work->cc[enbsCCsearch]);
4892
4893     if (gridj->bSimple != nbl->bSimple)
4894     {
4895         gmx_incons("Grid incompatible with pair-list");
4896     }
4897
4898     sync_work(nbl);
4899     nbl->na_sc = gridj->na_sc;
4900     nbl->na_ci = gridj->na_c;
4901     nbl->na_cj = nbnxn_kernel_to_cj_size(nb_kernel_type);
4902     na_cj_2log = get_2log(nbl->na_cj);
4903
4904     nbl->rlist  = rlist;
4905
4906     if (bFBufferFlag)
4907     {
4908         /* Determine conversion of clusters to flag blocks */
4909         gridi_flag_shift = 0;
4910         while ((nbl->na_ci<<gridi_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4911         {
4912             gridi_flag_shift++;
4913         }
4914         gridj_flag_shift = 0;
4915         while ((nbl->na_cj<<gridj_flag_shift) < NBNXN_BUFFERFLAG_SIZE)
4916         {
4917             gridj_flag_shift++;
4918         }
4919
4920         gridj_flag = work->buffer_flags.flag;
4921     }
4922
4923     copy_mat(nbs->box, box);
4924
4925     rl2 = nbl->rlist*nbl->rlist;
4926
4927     if (nbs->bFEP && !nbl->bSimple)
4928     {
4929         /* Determine an atom-pair list cut-off distance for FEP atom pairs.
4930          * We should not simply use rlist, since then we would not have
4931          * the small, effective buffering of the NxN lists.
4932          * The buffer is on overestimate, but the resulting cost for pairs
4933          * beyond rlist is neglible compared to the FEP pairs within rlist.
4934          */
4935         rl_fep2 = nbl->rlist + effective_buffer_1x1_vs_MxN(gridi, gridj);
4936
4937         if (debug)
4938         {
4939             fprintf(debug, "nbl_fep atom-pair rlist %f\n", rl_fep2);
4940         }
4941         rl_fep2 = rl_fep2*rl_fep2;
4942     }
4943
4944     rbb2 = boundingbox_only_distance2(gridi, gridj, nbl->rlist, nbl->bSimple);
4945
4946     if (debug)
4947     {
4948         fprintf(debug, "nbl bounding box only distance %f\n", sqrt(rbb2));
4949     }
4950
4951     /* Set the shift range */
4952     for (d = 0; d < DIM; d++)
4953     {
4954         /* Check if we need periodicity shifts.
4955          * Without PBC or with domain decomposition we don't need them.
4956          */
4957         if (d >= ePBC2npbcdim(nbs->ePBC) || nbs->dd_dim[d])
4958         {
4959             shp[d] = 0;
4960         }
4961         else
4962         {
4963             if (d == XX &&
4964                 box[XX][XX] - fabs(box[YY][XX]) - fabs(box[ZZ][XX]) < sqrt(rl2))
4965             {
4966                 shp[d] = 2;
4967             }
4968             else
4969             {
4970                 shp[d] = 1;
4971             }
4972         }
4973     }
4974
4975     if (nbl->bSimple && !gridi->bSimple)
4976     {
4977         conv_i  = gridi->na_sc/gridj->na_sc;
4978         bb_i    = gridi->bb_simple;
4979         bbcz_i  = gridi->bbcz_simple;
4980         flags_i = gridi->flags_simple;
4981     }
4982     else
4983     {
4984         conv_i  = 1;
4985 #ifdef NBNXN_BBXXXX
4986         if (gridi->bSimple)
4987         {
4988             bb_i  = gridi->bb;
4989         }
4990         else
4991         {
4992             pbb_i = gridi->pbb;
4993         }
4994 #else
4995         /* We use the normal bounding box format for both grid types */
4996         bb_i  = gridi->bb;
4997 #endif
4998         bbcz_i  = gridi->bbcz;
4999         flags_i = gridi->flags;
5000     }
5001     cell0_i = gridi->cell0*conv_i;
5002
5003     bbcz_j = gridj->bbcz;
5004
5005     if (conv_i != 1)
5006     {
5007         /* Blocks of the conversion factor - 1 give a large repeat count
5008          * combined with a small block size. This should result in good
5009          * load balancing for both small and large domains.
5010          */
5011         ci_block = conv_i - 1;
5012     }
5013     if (debug)
5014     {
5015         fprintf(debug, "nbl nc_i %d col.av. %.1f ci_block %d\n",
5016                 gridi->nc, gridi->nc/(double)(gridi->ncx*gridi->ncy), ci_block);
5017     }
5018
5019     ndistc   = 0;
5020     ncpcheck = 0;
5021
5022     /* Initially ci_b and ci to 1 before where we want them to start,
5023      * as they will both be incremented in next_ci.
5024      */
5025     ci_b = -1;
5026     ci   = th*ci_block - 1;
5027     ci_x = 0;
5028     ci_y = 0;
5029     while (next_ci(gridi, conv_i, nth, ci_block, &ci_x, &ci_y, &ci_b, &ci))
5030     {
5031         if (nbl->bSimple && flags_i[ci] == 0)
5032         {
5033             continue;
5034         }
5035
5036         ncj_old_i = nbl->ncj;
5037
5038         d2cx = 0;
5039         if (gridj != gridi && shp[XX] == 0)
5040         {
5041             if (nbl->bSimple)
5042             {
5043                 bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X];
5044             }
5045             else
5046             {
5047                 bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx;
5048             }
5049             if (bx1 < gridj->c0[XX])
5050             {
5051                 d2cx = sqr(gridj->c0[XX] - bx1);
5052
5053                 if (d2cx >= rl2)
5054                 {
5055                     continue;
5056                 }
5057             }
5058         }
5059
5060         ci_xy = ci_x*gridi->ncy + ci_y;
5061
5062         /* Loop over shift vectors in three dimensions */
5063         for (tz = -shp[ZZ]; tz <= shp[ZZ]; tz++)
5064         {
5065             shz = tz*box[ZZ][ZZ];
5066
5067             bz0 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D  ] + shz;
5068             bz1 = bbcz_i[ci*NNBSBB_D+1] + shz;
5069
5070             if (tz == 0)
5071             {
5072                 d2z = 0;
5073             }
5074             else if (tz < 0)
5075             {
5076                 d2z = sqr(bz1);
5077             }
5078             else
5079             {
5080                 d2z = sqr(bz0 - box[ZZ][ZZ]);
5081             }
5082
5083             d2z_cx = d2z + d2cx;
5084
5085             if (d2z_cx >= rl2)
5086             {
5087                 continue;
5088             }
5089
5090             bz1_frac =
5091                 bz1/((real)(gridi->cxy_ind[ci_xy+1] - gridi->cxy_ind[ci_xy]));
5092             if (bz1_frac < 0)
5093             {
5094                 bz1_frac = 0;
5095             }
5096             /* The check with bz1_frac close to or larger than 1 comes later */
5097
5098             for (ty = -shp[YY]; ty <= shp[YY]; ty++)
5099             {
5100                 shy = ty*box[YY][YY] + tz*box[ZZ][YY];
5101
5102                 if (nbl->bSimple)
5103                 {
5104                     by0 = bb_i[ci].lower[BB_Y] + shy;
5105                     by1 = bb_i[ci].upper[BB_Y] + shy;
5106                 }
5107                 else
5108                 {
5109                     by0 = gridi->c0[YY] + (ci_y  )*gridi->sy + shy;
5110                     by1 = gridi->c0[YY] + (ci_y+1)*gridi->sy + shy;
5111                 }
5112
5113                 get_cell_range(by0, by1,
5114                                gridj->ncy, gridj->c0[YY], gridj->sy, gridj->inv_sy,
5115                                d2z_cx, rl2,
5116                                &cyf, &cyl);
5117
5118                 if (cyf > cyl)
5119                 {
5120                     continue;
5121                 }
5122
5123                 d2z_cy = d2z;
5124                 if (by1 < gridj->c0[YY])
5125                 {
5126                     d2z_cy += sqr(gridj->c0[YY] - by1);
5127                 }
5128                 else if (by0 > gridj->c1[YY])
5129                 {
5130                     d2z_cy += sqr(by0 - gridj->c1[YY]);
5131                 }
5132
5133                 for (tx = -shp[XX]; tx <= shp[XX]; tx++)
5134                 {
5135                     shift = XYZ2IS(tx, ty, tz);
5136
5137 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5138                     if (gridi == gridj && shift > CENTRAL)
5139                     {
5140                         continue;
5141                     }
5142 #endif
5143
5144                     shx = tx*box[XX][XX] + ty*box[YY][XX] + tz*box[ZZ][XX];
5145
5146                     if (nbl->bSimple)
5147                     {
5148                         bx0 = bb_i[ci].lower[BB_X] + shx;
5149                         bx1 = bb_i[ci].upper[BB_X] + shx;
5150                     }
5151                     else
5152                     {
5153                         bx0 = gridi->c0[XX] + (ci_x  )*gridi->sx + shx;
5154                         bx1 = gridi->c0[XX] + (ci_x+1)*gridi->sx + shx;
5155                     }
5156
5157                     get_cell_range(bx0, bx1,
5158                                    gridj->ncx, gridj->c0[XX], gridj->sx, gridj->inv_sx,
5159                                    d2z_cy, rl2,
5160                                    &cxf, &cxl);
5161
5162                     if (cxf > cxl)
5163                     {
5164                         continue;
5165                     }
5166
5167                     if (nbl->bSimple)
5168                     {
5169                         new_ci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift, flags_i[ci]);
5170                     }
5171                     else
5172                     {
5173                         new_sci_entry(nbl, cell0_i+ci, shift);
5174                     }
5175
5176 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5177                     if (cxf < ci_x)
5178 #else
5179                     if (shift == CENTRAL && gridi == gridj &&
5180                         cxf < ci_x)
5181 #endif
5182                     {
5183                         /* Leave the pairs with i > j.
5184                          * x is the major index, so skip half of it.
5185                          */
5186                         cxf = ci_x;
5187                     }
5188
5189                     if (nbl->bSimple)
5190                     {
5191                         set_icell_bb_simple(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5192                                             nbl->work->bb_ci);
5193                     }
5194                     else
5195                     {
5196 #ifdef NBNXN_BBXXXX
5197                         set_icell_bbxxxx_supersub(pbb_i, ci, shx, shy, shz,
5198                                                   nbl->work->pbb_ci);
5199 #else
5200                         set_icell_bb_supersub(bb_i, ci, shx, shy, shz,
5201                                               nbl->work->bb_ci);
5202 #endif
5203                     }
5204
5205                     nbs->icell_set_x(cell0_i+ci, shx, shy, shz,
5206                                      gridi->na_c, nbat->xstride, nbat->x,
5207                                      nbl->work);
5208
5209                     for (cx = cxf; cx <= cxl; cx++)
5210                     {
5211                         d2zx = d2z;
5212                         if (gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx > bx1)
5213                         {
5214                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + cx*gridj->sx - bx1);
5215                         }
5216                         else if (gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx < bx0)
5217                         {
5218                             d2zx += sqr(gridj->c0[XX] + (cx+1)*gridj->sx - bx0);
5219                         }
5220
5221 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5222                         if (gridi == gridj &&
5223                             cx == 0 && cyf < ci_y)
5224 #else
5225                         if (gridi == gridj &&
5226                             cx == 0 && shift == CENTRAL && cyf < ci_y)
5227 #endif
5228                         {
5229                             /* Leave the pairs with i > j.
5230                              * Skip half of y when i and j have the same x.
5231                              */
5232                             cyf_x = ci_y;
5233                         }
5234                         else
5235                         {
5236                             cyf_x = cyf;
5237                         }
5238
5239                         for (cy = cyf_x; cy <= cyl; cy++)
5240                         {
5241                             c0 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy];
5242                             c1 = gridj->cxy_ind[cx*gridj->ncy+cy+1];
5243 #ifdef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5244                             if (gridi == gridj &&
5245                                 shift == CENTRAL && c0 < ci)
5246                             {
5247                                 c0 = ci;
5248                             }
5249 #endif
5250
5251                             d2zxy = d2zx;
5252                             if (gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy > by1)
5253                             {
5254                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + cy*gridj->sy - by1);
5255                             }
5256                             else if (gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy < by0)
5257                             {
5258                                 d2zxy += sqr(gridj->c0[YY] + (cy+1)*gridj->sy - by0);
5259                             }
5260                             if (c1 > c0 && d2zxy < rl2)
5261                             {
5262                                 cs = c0 + (int)(bz1_frac*(c1 - c0));
5263                                 if (cs >= c1)
5264                                 {
5265                                     cs = c1 - 1;
5266                                 }
5267
5268                                 d2xy = d2zxy - d2z;
5269
5270                                 /* Find the lowest cell that can possibly
5271                                  * be within range.
5272                                  */
5273                                 cf = cs;
5274                                 while (cf > c0 &&
5275                                        (bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] >= bz0 ||
5276                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cf*NNBSBB_D+1] - bz0) < rl2))
5277                                 {
5278                                     cf--;
5279                                 }
5280
5281                                 /* Find the highest cell that can possibly
5282                                  * be within range.
5283                                  */
5284                                 cl = cs;
5285                                 while (cl < c1-1 &&
5286                                        (bbcz_j[cl*NNBSBB_D] <= bz1 ||
5287                                         d2xy + sqr(bbcz_j[cl*NNBSBB_D] - bz1) < rl2))
5288                                 {
5289                                     cl++;
5290                                 }
5291
5292 #ifdef NBNXN_REFCODE
5293                                 {
5294                                     /* Simple reference code, for debugging,
5295                                      * overrides the more complex code above.
5296                                      */
5297                                     int k;
5298                                     cf = c1;
5299                                     cl = -1;
5300                                     for (k = c0; k < c1; k++)
5301                                     {
5302                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5303                                             k < cf)
5304                                         {
5305                                             cf = k;
5306                                         }
5307                                         if (box_dist2(bx0, bx1, by0, by1, bz0, bz1, bb+k) < rl2 &&
5308                                             k > cl)
5309                                         {
5310                                             cl = k;
5311                                         }
5312                                     }
5313                                 }
5314 #endif
5315
5316                                 if (gridi == gridj)
5317                                 {
5318                                     /* We want each atom/cell pair only once,
5319                                      * only use cj >= ci.
5320                                      */
5321 #ifndef NBNXN_SHIFT_BACKWARD
5322                                     cf = max(cf, ci);
5323 #else
5324                                     if (shift == CENTRAL)
5325                                     {
5326                                         cf = max(cf, ci);
5327                                     }
5328 #endif
5329                                 }
5330
5331                                 if (cf <= cl)
5332                                 {
5333                                     /* For f buffer flags with simple lists */
5334                                     ncj_old_j = nbl->ncj;
5335
5336                                     switch (nb_kernel_type)
5337                                     {
5338                                         case nbnxnk4x4_PlainC:
5339                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, cl-cf+1);
5340
5341                                             make_cluster_list_simple(gridj,
5342                                                                      nbl, ci, cf, cl,
5343                                                                      (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5344                                                                      nbat->x,
5345                                                                      rl2, rbb2,
5346                                                                      &ndistc);
5347                                             break;
5348 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5349                                         case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5350                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5351                                             make_cluster_list_simd_4xn(gridj,
5352                                                                        nbl, ci, cf, cl,
5353                                                                        (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5354                                                                        nbat->x,
5355                                                                        rl2, rbb2,
5356                                                                        &ndistc);
5357                                             break;
5358 #endif
5359 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5360                                         case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5361                                             check_subcell_list_space_simple(nbl, ci_to_cj(na_cj_2log, cl-cf)+2);
5362                                             make_cluster_list_simd_2xnn(gridj,
5363                                                                         nbl, ci, cf, cl,
5364                                                                         (gridi == gridj && shift == CENTRAL),
5365                                                                         nbat->x,
5366                                                                         rl2, rbb2,
5367                                                                         &ndistc);
5368                                             break;
5369 #endif
5370                                         case nbnxnk8x8x8_PlainC:
5371                                         case nbnxnk8x8x8_GPU:
5372                                             check_subcell_list_space_supersub(nbl, cl-cf+1);
5373                                             for (cj = cf; cj <= cl; cj++)
5374                                             {
5375                                                 make_cluster_list_supersub(gridi, gridj,
5376                                                                            nbl, ci, cj,
5377                                                                            (gridi == gridj && shift == CENTRAL && ci == cj),
5378                                                                            nbat->xstride, nbat->x,
5379                                                                            rl2, rbb2,
5380                                                                            &ndistc);
5381                                             }
5382                                             break;
5383                                     }
5384                                     ncpcheck += cl - cf + 1;
5385
5386                                     if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_j)
5387                                     {
5388                                         int cbf, cbl, cb;
5389
5390                                         cbf = nbl->cj[ncj_old_j].cj >> gridj_flag_shift;
5391                                         cbl = nbl->cj[nbl->ncj-1].cj >> gridj_flag_shift;
5392                                         for (cb = cbf; cb <= cbl; cb++)
5393                                         {
5394                                             bitmask_init_bit(&gridj_flag[cb], th);
5395                                         }
5396                                     }
5397                                 }
5398                             }
5399                         }
5400                     }
5401
5402                     /* Set the exclusions for this ci list */
5403                     if (nbl->bSimple)
5404                     {
5405                         set_ci_top_excls(nbs,
5406                                          nbl,
5407                                          shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5408                                          gridj->na_c_2log,
5409                                          na_cj_2log,
5410                                          &(nbl->ci[nbl->nci]),
5411                                          excl);
5412
5413                         if (nbs->bFEP)
5414                         {
5415                             make_fep_list(nbs, nbat, nbl,
5416                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5417                                           &(nbl->ci[nbl->nci]),
5418                                           gridi, gridj, nbl_fep);
5419                         }
5420                     }
5421                     else
5422                     {
5423                         set_sci_top_excls(nbs,
5424                                           nbl,
5425                                           shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5426                                           gridj->na_c_2log,
5427                                           &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5428                                           excl);
5429
5430                         if (nbs->bFEP)
5431                         {
5432                             make_fep_list_supersub(nbs, nbat, nbl,
5433                                                    shift == CENTRAL && gridi == gridj,
5434                                                    &(nbl->sci[nbl->nsci]),
5435                                                    shx, shy, shz,
5436                                                    rl_fep2,
5437                                                    gridi, gridj, nbl_fep);
5438                         }
5439                     }
5440
5441                     /* Close this ci list */
5442                     if (nbl->bSimple)
5443                     {
5444                         close_ci_entry_simple(nbl);
5445                     }
5446                     else
5447                     {
5448                         close_ci_entry_supersub(nbl,
5449                                                 nsubpair_max,
5450                                                 progBal, nsubpair_tot_est,
5451                                                 th, nth);
5452                     }
5453                 }
5454             }
5455         }
5456
5457         if (bFBufferFlag && nbl->ncj > ncj_old_i)
5458         {
5459             bitmask_init_bit(&(work->buffer_flags.flag[(gridi->cell0+ci)>>gridi_flag_shift]), th);
5460         }
5461     }
5462
5463     work->ndistc = ndistc;
5464
5465     nbs_cycle_stop(&work->cc[enbsCCsearch]);
5466
5467     if (debug)
5468     {
5469         fprintf(debug, "number of distance checks %d\n", ndistc);
5470         fprintf(debug, "ncpcheck %s %d\n", gridi == gridj ? "local" : "non-local",
5471                 ncpcheck);
5472
5473         if (nbl->bSimple)
5474         {
5475             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl, nbs, rlist);
5476         }
5477         else
5478         {
5479             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl, nbs, rlist);
5480         }
5481
5482         if (nbs->bFEP)
5483         {
5484             fprintf(debug, "nbl FEP list pairs: %d\n", nbl_fep->nrj);
5485         }
5486     }
5487 }
5488
5489 static void reduce_buffer_flags(const nbnxn_search_t        nbs,
5490                                 int                         nsrc,
5491                                 const nbnxn_buffer_flags_t *dest)
5492 {
5493     int            s, b;
5494     gmx_bitmask_t *flag;
5495
5496     for (s = 0; s < nsrc; s++)
5497     {
5498         flag = nbs->work[s].buffer_flags.flag;
5499
5500         for (b = 0; b < dest->nflag; b++)
5501         {
5502             bitmask_union(&(dest->flag[b]), flag[b]);
5503         }
5504     }
5505 }
5506
5507 static void print_reduction_cost(const nbnxn_buffer_flags_t *flags, int nout)
5508 {
5509     int           nelem, nkeep, ncopy, nred, b, c, out;
5510     gmx_bitmask_t mask_0;
5511
5512     nelem = 0;
5513     nkeep = 0;
5514     ncopy = 0;
5515     nred  = 0;
5516     bitmask_init_bit(&mask_0, 0);
5517     for (b = 0; b < flags->nflag; b++)
5518     {
5519         if (bitmask_is_equal(flags->flag[b], mask_0))
5520         {
5521             /* Only flag 0 is set, no copy of reduction required */
5522             nelem++;
5523             nkeep++;
5524         }
5525         else if (!bitmask_is_zero(flags->flag[b]))
5526         {
5527             c = 0;
5528             for (out = 0; out < nout; out++)
5529             {
5530                 if (bitmask_is_set(flags->flag[b], out))
5531                 {
5532                     c++;
5533                 }
5534             }
5535             nelem += c;
5536             if (c == 1)
5537             {
5538                 ncopy++;
5539             }
5540             else
5541             {
5542                 nred += c;
5543             }
5544         }
5545     }
5546
5547     fprintf(debug, "nbnxn reduction: #flag %d #list %d elem %4.2f, keep %4.2f copy %4.2f red %4.2f\n",
5548             flags->nflag, nout,
5549             nelem/(double)(flags->nflag),
5550             nkeep/(double)(flags->nflag),
5551             ncopy/(double)(flags->nflag),
5552             nred/(double)(flags->nflag));
5553 }
5554
5555 /* Perform a count (linear) sort to sort the smaller lists to the end.
5556  * This avoids load imbalance on the GPU, as large lists will be
5557  * scheduled and executed first and the smaller lists later.
5558  * Load balancing between multi-processors only happens at the end
5559  * and there smaller lists lead to more effective load balancing.
5560  * The sorting is done on the cj4 count, not on the actual pair counts.
5561  * Not only does this make the sort faster, but it also results in
5562  * better load balancing than using a list sorted on exact load.
5563  * This function swaps the pointer in the pair list to avoid a copy operation.
5564  */
5565 static void sort_sci(nbnxn_pairlist_t *nbl)
5566 {
5567     nbnxn_list_work_t *work;
5568     int                m, i, s, s0, s1;
5569     nbnxn_sci_t       *sci_sort;
5570
5571     if (nbl->ncj4 <= nbl->nsci)
5572     {
5573         /* nsci = 0 or all sci have size 1, sorting won't change the order */
5574         return;
5575     }
5576
5577     work = nbl->work;
5578
5579     /* We will distinguish differences up to double the average */
5580     m = (2*nbl->ncj4)/nbl->nsci;
5581
5582     if (m + 1 > work->sort_nalloc)
5583     {
5584         work->sort_nalloc = over_alloc_large(m + 1);
5585         srenew(work->sort, work->sort_nalloc);
5586     }
5587
5588     if (work->sci_sort_nalloc != nbl->sci_nalloc)
5589     {
5590         work->sci_sort_nalloc = nbl->sci_nalloc;
5591         nbnxn_realloc_void((void **)&work->sci_sort,
5592                            0,
5593                            work->sci_sort_nalloc*sizeof(*work->sci_sort),
5594                            nbl->alloc, nbl->free);
5595     }
5596
5597     /* Count the entries of each size */
5598     for (i = 0; i <= m; i++)
5599     {
5600         work->sort[i] = 0;
5601     }
5602     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5603     {
5604         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5605         work->sort[i]++;
5606     }
5607     /* Calculate the offset for each count */
5608     s0            = work->sort[m];
5609     work->sort[m] = 0;
5610     for (i = m - 1; i >= 0; i--)
5611     {
5612         s1            = work->sort[i];
5613         work->sort[i] = work->sort[i + 1] + s0;
5614         s0            = s1;
5615     }
5616
5617     /* Sort entries directly into place */
5618     sci_sort = work->sci_sort;
5619     for (s = 0; s < nbl->nsci; s++)
5620     {
5621         i = min(m, nbl->sci[s].cj4_ind_end - nbl->sci[s].cj4_ind_start);
5622         sci_sort[work->sort[i]++] = nbl->sci[s];
5623     }
5624
5625     /* Swap the sci pointers so we use the new, sorted list */
5626     work->sci_sort = nbl->sci;
5627     nbl->sci       = sci_sort;
5628 }
5629
5630 /* Make a local or non-local pair-list, depending on iloc */
5631 void nbnxn_make_pairlist(const nbnxn_search_t  nbs,
5632                          nbnxn_atomdata_t     *nbat,
5633                          const t_blocka       *excl,
5634                          real                  rlist,
5635                          int                   min_ci_balanced,
5636                          nbnxn_pairlist_set_t *nbl_list,
5637                          int                   iloc,
5638                          int                   nb_kernel_type,
5639                          t_nrnb               *nrnb)
5640 {
5641     nbnxn_grid_t      *gridi, *gridj;
5642     gmx_bool           bGPUCPU;
5643     int                nzi, zi, zj0, zj1, zj;
5644     int                nsubpair_target, nsubpair_tot_est;
5645     int                th;
5646     int                nnbl;
5647     nbnxn_pairlist_t **nbl;
5648     int                ci_block;
5649     gmx_bool           CombineNBLists;
5650     gmx_bool           progBal;
5651     int                np_tot, np_noq, np_hlj, nap;
5652
5653     /* Check if we are running hybrid GPU + CPU nbnxn mode */
5654     bGPUCPU = (!nbs->grid[0].bSimple && nbl_list->bSimple);
5655
5656     nnbl            = nbl_list->nnbl;
5657     nbl             = nbl_list->nbl;
5658     CombineNBLists  = nbl_list->bCombined;
5659
5660     if (debug)
5661     {
5662         fprintf(debug, "ns making %d nblists\n", nnbl);
5663     }
5664
5665     nbat->bUseBufferFlags = (nbat->nout > 1);
5666     /* We should re-init the flags before making the first list */
5667     if (nbat->bUseBufferFlags && (LOCAL_I(iloc) || bGPUCPU))
5668     {
5669         init_buffer_flags(&nbat->buffer_flags, nbat->natoms);
5670     }
5671
5672     if (nbl_list->bSimple)
5673     {
5674         switch (nb_kernel_type)
5675         {
5676 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_4XN
5677             case nbnxnk4xN_SIMD_4xN:
5678                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_4xn;
5679                 break;
5680 #endif
5681 #ifdef GMX_NBNXN_SIMD_2XNN
5682             case nbnxnk4xN_SIMD_2xNN:
5683                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simd_2xnn;
5684                 break;
5685 #endif
5686             default:
5687                 nbs->icell_set_x = icell_set_x_simple;
5688                 break;
5689         }
5690     }
5691     else
5692     {
5693 #ifdef NBNXN_SEARCH_BB_SIMD4
5694         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub_simd4;
5695 #else
5696         nbs->icell_set_x = icell_set_x_supersub;
5697 #endif
5698     }
5699
5700     if (LOCAL_I(iloc))
5701     {
5702         /* Only zone (grid) 0 vs 0 */
5703         nzi = 1;
5704         zj0 = 0;
5705         zj1 = 1;
5706     }
5707     else
5708     {
5709         nzi = nbs->zones->nizone;
5710     }
5711
5712     if (!nbl_list->bSimple && min_ci_balanced > 0)
5713     {
5714         get_nsubpair_target(nbs, iloc, rlist, min_ci_balanced,
5715                             &nsubpair_target, &nsubpair_tot_est);
5716     }
5717     else
5718     {
5719         nsubpair_target  = 0;
5720         nsubpair_tot_est = 0;
5721     }
5722
5723     /* Clear all pair-lists */
5724     for (th = 0; th < nnbl; th++)
5725     {
5726         clear_pairlist(nbl[th]);
5727
5728         if (nbs->bFEP)
5729         {
5730             clear_pairlist_fep(nbl_list->nbl_fep[th]);
5731         }
5732     }
5733
5734     for (zi = 0; zi < nzi; zi++)
5735     {
5736         gridi = &nbs->grid[zi];
5737
5738         if (NONLOCAL_I(iloc))
5739         {
5740             zj0 = nbs->zones->izone[zi].j0;
5741             zj1 = nbs->zones->izone[zi].j1;
5742             if (zi == 0)
5743             {
5744                 zj0++;
5745             }
5746         }
5747         for (zj = zj0; zj < zj1; zj++)
5748         {
5749             gridj = &nbs->grid[zj];
5750
5751             if (debug)
5752             {
5753                 fprintf(debug, "ns search grid %d vs %d\n", zi, zj);
5754             }
5755
5756             nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5757
5758             if (nbl[0]->bSimple && !gridi->bSimple)
5759             {
5760                 /* Hybrid list, determine blocking later */
5761                 ci_block = 0;
5762             }
5763             else
5764             {
5765                 ci_block = get_ci_block_size(gridi, nbs->DomDec, nnbl);
5766             }
5767
5768             /* With GPU: generate progressively smaller lists for
5769              * load balancing for local only or non-local with 2 zones.
5770              */
5771             progBal = (LOCAL_I(iloc) || nbs->zones->n <= 2);
5772
5773 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5774             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5775             {
5776                 /* Re-init the thread-local work flag data before making
5777                  * the first list (not an elegant conditional).
5778                  */
5779                 if (nbat->bUseBufferFlags && ((zi == 0 && zj == 0) ||
5780                                               (bGPUCPU && zi == 0 && zj == 1)))
5781                 {
5782                     init_buffer_flags(&nbs->work[th].buffer_flags, nbat->natoms);
5783                 }
5784
5785                 if (CombineNBLists && th > 0)
5786                 {
5787                     clear_pairlist(nbl[th]);
5788                 }
5789
5790                 /* Divide the i super cell equally over the nblists */
5791                 nbnxn_make_pairlist_part(nbs, gridi, gridj,
5792                                          &nbs->work[th], nbat, excl,
5793                                          rlist,
5794                                          nb_kernel_type,
5795                                          ci_block,
5796                                          nbat->bUseBufferFlags,
5797                                          nsubpair_target,
5798                                          progBal, nsubpair_tot_est,
5799                                          th, nnbl,
5800                                          nbl[th],
5801                                          nbl_list->nbl_fep[th]);
5802             }
5803             nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCsearch]);
5804
5805             np_tot = 0;
5806             np_noq = 0;
5807             np_hlj = 0;
5808             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5809             {
5810                 inc_nrnb(nrnb, eNR_NBNXN_DIST2, nbs->work[th].ndistc);
5811
5812                 if (nbl_list->bSimple)
5813                 {
5814                     np_tot += nbl[th]->ncj;
5815                     np_noq += nbl[th]->work->ncj_noq;
5816                     np_hlj += nbl[th]->work->ncj_hlj;
5817                 }
5818                 else
5819                 {
5820                     /* This count ignores potential subsequent pair pruning */
5821                     np_tot += nbl[th]->nci_tot;
5822                 }
5823             }
5824             nap                   = nbl[0]->na_ci*nbl[0]->na_cj;
5825             nbl_list->natpair_ljq = (np_tot - np_noq)*nap - np_hlj*nap/2;
5826             nbl_list->natpair_lj  = np_noq*nap;
5827             nbl_list->natpair_q   = np_hlj*nap/2;
5828
5829             if (CombineNBLists && nnbl > 1)
5830             {
5831                 nbs_cycle_start(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5832
5833                 combine_nblists(nnbl-1, nbl+1, nbl[0]);
5834
5835                 nbs_cycle_stop(&nbs->cc[enbsCCcombine]);
5836             }
5837         }
5838     }
5839
5840     if (!nbl_list->bSimple)
5841     {
5842         /* Sort the entries on size, large ones first */
5843         if (CombineNBLists || nnbl == 1)
5844         {
5845             sort_sci(nbl[0]);
5846         }
5847         else
5848         {
5849 #pragma omp parallel for num_threads(nnbl) schedule(static)
5850             for (th = 0; th < nnbl; th++)
5851             {
5852                 sort_sci(nbl[th]);
5853             }
5854         }
5855     }
5856
5857     if (nbat->bUseBufferFlags)
5858     {
5859         reduce_buffer_flags(nbs, nnbl, &nbat->buffer_flags);
5860     }
5861
5862     if (nbs->bFEP)
5863     {
5864         /* Balance the free-energy lists over all the threads */
5865         balance_fep_lists(nbs, nbl_list);
5866     }
5867
5868     /* Special performance logging stuff (env.var. GMX_NBNXN_CYCLE) */
5869     if (LOCAL_I(iloc))
5870     {
5871         nbs->search_count++;
5872     }
5873     if (nbs->print_cycles &&
5874         (!nbs->DomDec || (nbs->DomDec && !LOCAL_I(iloc))) &&
5875         nbs->search_count % 100 == 0)
5876     {
5877         nbs_cycle_print(stderr, nbs);
5878     }
5879
5880     if (debug && (CombineNBLists && nnbl > 1))
5881     {
5882         if (nbl[0]->bSimple)
5883         {
5884             print_nblist_statistics_simple(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5885         }
5886         else
5887         {
5888             print_nblist_statistics_supersub(debug, nbl[0], nbs, rlist);
5889         }
5890     }
5891
5892     if (debug)
5893     {
5894         if (gmx_debug_at)
5895         {
5896             if (nbl[0]->bSimple)
5897             {
5898                 print_nblist_ci_cj(debug, nbl[0]);
5899             }
5900             else
5901             {
5902                 print_nblist_sci_cj(debug, nbl[0]);
5903             }
5904         }
5905
5906         if (nbat->bUseBufferFlags)
5907         {
5908             print_reduction_cost(&nbat->buffer_flags, nnbl);
5909         }
5910     }
5911 }